DE102005039500A1

DE102005039500A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen

Info

Publication number: DE102005039500A1
Application number: DE102005039500A
Authority: DE
Inventors: Risto Bubert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-08-20
Filing date: 2005-08-20
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-21
Also published as: DE102005039500B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen, umfassend mindestens einen Schritt, in dem eine Komponente aus Kunststoff (19, 20) mit einer metallischen Komponente (10, 11) verbunden wird, wobei dieses mindestens einen Verfahrensschritt umfasst, in dem ein Fügen eines Strangpressprofils (11) mit mindestens einem Blechteil (10) erfolgt und dass anschließend die so erhaltene Baugruppe (16) in mindestens einem Fügeschritt mit mindestens einer Komponente aus Kunststoff (19, 20) verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen umfassend mindestens einen Schritt, in dem eine Komponente aus Kunststoff mit einer metallischen Komponente verbunden wird.

Die Verbindung von Komponenten aus Kunststoff mit metallischen Strukturen zur Herstellung von Verbundbauteilen ist in manchen Fällen problematisch. Beispielsweise stellt das Verbinden von Komponenten aus Faserkunststoffverbunden (FKV) mit metallischen Strukturen und auch untereinander aufgrund der Inhomogenität des Werkstoffs FKV und seines spröden Materialverhaltens eine besondere Herausforderung dar. In dem Faserkunststoffverbund erbringen die Fasern den Großteil der Steifigkeit und Festigkeit des Werkstoffs. Die Hauptaufgaben der Matrix bestehen darin, die äußeren Kräfte in die Fasern zu übertragen sowie die Lage der Fasern und die äußere Gestalt des Bauteils zu sichern. Um die äußeren Kräfte in die FKV-Struktur zu übertragen bedarf es großflächiger Krafteinleitungen. Hierfür eignet sich als Fügeverbindung insbesondere das Kleben. Insbesondere sind solche Klebeverbindungen geeignet, die auf Schub belastbar sind. Ein direktes Verschrauben oder Vernieten von FKV-Strukturen ist ebenfalls möglich, führt jedoch häufig zu lokalen Spannungskonzentrationen, wenn beispielsweise eine vorhandene Laminatstruktur lokal geschädigt wird.

Um großflächig Kräfte in FKV-Strukturen einzuleiten, werden heute zum Beispiel im Motorsport und beim Bau von Sportwagen sogenannte metallische Inserts verwendet. Dies sind meist sehr komplexe Guss- und Frästeile, die in ein Laminat eingebettet sind. Diese Lösung ist jedoch für eine Serienherstellung mit größeren Stückzahlen aus Kostengründen nicht interessant, da die Fertigung und Positionierung der Inserts sehr aufwändig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung von Komponenten aus Kunststoff mit metallischen Komponenten unter Vermeidung der vorgenannten Probleme ermöglicht und sich für eine kostengünstige Serienfertigung eignet.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen Schritt umfasst, in dem ein Fügen eines Strangpressprofils mit mindestens einem Blechteil erfolgt. Anschließend kann die so erhaltene Baugruppe in mindestens einem Fügeschritt mit mindestens einer Komponente aus Kunststoff verbunden werden.

Strangpressprofile aus Metall, beispielsweise aus Aluminium können mit sehr komplexen Querschnitten hergestellt werden und untereinander und/oder mit Blechteilen zu kostengünstigen Baugruppen, beispielsweise Schweißkonstruktionen kombiniert werden. Aluminiumbauteile lassen sich beispielsweise problemlos verschweißen, verschrauben, vernieten oder verkleben. Durch die Möglichkeit, komplexe Querschnitte darzustellen und die gute Verklebbarkeit lassen sich auch mit Strangpressprofilen beispielsweise sehr gut Klebeflansche zur Anbindung von Kunststoffverbundstrukturen realisieren.

Nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in mindestens einem ersten Arbeitsschritt mindestens ein Strangpressprofil mit mindestens einem Blechteil verschweißt. Das Schweißen ist demnach hier ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Fügeverfahren. Beispielsweise wird in einem ersten Schritt mindestens ein Blechteil stirnseitig auf mindestens ein Strangpressprofil geschweißt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend in mindestens einem weiteren Schritt mindestens ein langgestrecktes, etwa trägerartiges Bauteil aus Kunststoff so mit der zuvor gefügten Baugruppe (beispielsweise Schweißgruppe) verbunden, dass das langgestreckte trägerartige Bauteil aus Kunststoff von einem Aufnahmebereich des ursprünglichen Strangpressprofils bevorzugt mindestens teilweise etwa formschlüssig aufgenommen wird. Auf diese Weise lässt sich ein Verbund aus der zuvor hergestellten metallischen Baugruppe (zum Beispiel Schweißgruppe aus Strangpressprofil und Blechteil) und einem Kunststoffbauteil herstellen. Dieses Kunststoffbauteil besteht vorzugsweise aus einem Faserkunststoffverbund.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise anwendbar zur Herstellung von Trägern, beispielsweise Längsträgern für die Karosserie eines Kraftfahrzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von auf Deformation beanspruchten Strukturen eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise von Stoßfängern.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zunächst aus mindestens einem Strangpressprofil und mindestens einem Blechteil eine Schweißgruppe gefügt wird, die anschließend mit mindestens einem Bauteil aus einem Faserkunststoffverbund in mindestens einem Fügeschritt verbunden wird, wobei die dadurch erhaltene Baueinheit vorzugsweise außerdem in einem weiteren Arbeitsschritt mit mindestens einem weiteren Strangpressprofil verbunden wird. Dieses weitere Strangpressprofil kann beispielsweise ein Deformationselement und/oder ein Querträger der Karosserie eines Kraftfahrzeugs sein. Vorzugsweise wird zunächst ein Strangpressprofil mit einem Blechteil verschweißt und die dadurch erhaltene Schweißgruppe wird danach mit einem Kunststoffbauteil durch Kleben verbunden. Wenn mit einer solchen Baugruppe oder mit der Schweißgruppe mindestens ein weiteres Strangpressprofil verbunden wird, so wird dazu vorzugsweise zumindest auch eine Schraubverbindung verwendet. Wird mindestens ein solches weiteres Strangpressprofil mit der Schweißgruppe oder mit dem aus der Schweißgruppe entstandenen Bereich des Verbundbauteils verbunden, dann wird dieses weitere Strangpressprofil vorzugsweise mit dem Bereich der Schweißgruppe verbunden, der aus dem ursprünglichen Blechteil entstanden ist.

Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine schematisch stark vereinfachte Vorderansicht eines zu fügenden Blechteils sowie eines Strangpressprofils,
2 eine ebenfalls schematisch stark vereinfachte Ansicht der zu fügenden Komponenten Blechteil und Strangpressprofil gemäß 1,
3 eine Seitenansicht der nach dem Fügevorgang der Komponenten von 1 und 2 erhaltenen Baugruppe,
4 das Verbinden der in 3 dargestellten Baugruppe mit einem Träger aus einer Faserkunststoffverbundstruktur sowie mit weiteren Bauteilen,
5 eine entsprechende schematisch stark vereinfachte Seitenansicht des nach dem Fügen der Komponenten von 4 erhaltenen Verbundbauteils.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Die Darstellung zeigt zwei ursprüngliche Komponenten in der Vorderansicht, wobei diese Bauteile schematisch stark vereinfacht dargestellt sind und die jeweils gewählte Umrissform nur beispielhaft und keinesfalls beschränkend verstanden werden soll. Sowohl das in 1 dargestellte Blechteil 10 als auch das Strangpressprofil 11 können also auch völlig anders aussehen. Im Rahmen der Erfindung kommt es nur auf die prinzipielle Vorgehensweise und das Verfahren zur Herstellung der Verbundbauteile aus den einzelnen Komponenten an. Das in 1 gezeigte Blechteil 10 muss auch nicht zwingend vollständig flach sein, wie dies in der entsprechenden Seitenansicht gemäß 2 dargestellt ist. Es genügt im Prinzip ein flacher flanschartiger Teilabschnitt des Blechteils 10, um dieses mit einem Strangpressprofil 11 wie es in den 1 und 2 jeweils rechts dargestellt ist, zu verbinden.
Das Strangpressprofil 11 ist ebenfalls schematisch stark vereinfacht dargestellt und umfasst beispielsweise kanalartige Aufnahmebereiche 13, 14 sowie beispielsweise Stege 15 oder dergleichen, die die genannten kanalartigen Aufnahmebereiche 13, 14 untereinander verbinden. Das Blechteil 10 kann beispielsweise Löcher 12, Ausstanzungen, Aussparungen oder sonstige Strukturen aufweisen.
2 verdeutlicht, dass die beiden Ausgangskomponenten, nämlich Blechteil 10 und Strangpressprofil 11, die hier in der Seitenansicht gezeigt sind, so positioniert werden, dass ein anschließender Fügevorgang möglich ist. Das Blechteil 10 wird demnach mit der Stirnseite 21 des Strangpressprofils 11 durch Schweißen verbunden, so dass anschließend das in 3 in der Seitenansicht dargestellte Bauteil 16 erhalten wird, welches nachfolgend als Schweißgruppe oder Baugruppe im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bezeichnet wird.
Die in 3 dargestellte Schweißgruppe 16 aus den ursprünglichen Komponenten Blechteil 10 und Strangpressprofil 11 wird dann in weiteren Schrittten mit weiteren Bauteilen verbunden, so wie dies schematisch vereinfacht in 4 dargestellt ist. Dies sind beispielsweise Längsträger 19, 20, bei denen es sich um Faserkunststoff-Verbundstrukturen handelt und zwar insbesondere um Längsträger aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Das Strangpressprofil 11, welches nun Teil der Schweißgruppe 16 ist, weist dabei die Aufnahmebereiche 13, 14 auf, die so ausgebildet sind, dass sie Teile der mit der Schweißgruppe 16 zu verbindenden Längsträger 19, 20 vorzugsweise formschlüssig aufnehmen können. Somit sind die Endabschnitte 19a, 20a der Längsträger in die Aufnahmebereiche 13, 14 der Schweißgruppe 16 einsteckbar und in einem anschließenden Fügeschritt können die Längsträger 19, 20 mit der Schweißgruppe 16 zum Beispiel durch Kleben verbunden werden zu einem Bauteil, welches in 5 dargestellt ist. Dieses Kleben kann dabei so erfolgen, dass die aufgenommenen Endabschnitte 19a, 20a der Längsträger sowohl mit Bereichen des ursprünglichen Blechteils 10 der Schweißgruppe 16 als auch mit Bereichen des ursprünglichen Strangpressprofils 11 der Schweißgruppe 16 verklebt werden. Mit dem so erhaltenen Verbundbauteil, welches die Schweißgruppe 16 aus Metall einerseits und die aus dem Faserkunststoff-Verbund bestehenden Längsträger 19, 20 andererseits umfasst, können dann weitere Komponenten durch geeignete Fügeschritte verbunden werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass weitere Strangpressprofile 17, 18 an dem zuvor erhaltenen Verbundbauteil angebracht werden. Beispielsweise kann ein Strangpressprofil 17, welches ein Deformationselement ist an der den Längsträgern 19, 20 abgewandten Seite der Schweißgruppe 16, das heißt an dem flanschartigen Teil 22, der aus dem ursprünglichen Blechteil 10 gebildet wird angeschraubt werden, so wie dies durch die strichpunktierte Linie 23 in 5 schematisch angedeutet ist. Weiterhin kann ein weiteres Bauelement 18, beispielsweise ein Stoßfängerquerträger, der beispielsweise ebenfalls aus einem Strangpressprofil erhalten wurde, welches insbesondere gebogen ist, mit der zuvor erhaltenen Baugruppe verbunden werden. Dabei kann das Strangpressprofil 18 des Stoßfängerquerträgers beispielsweise an dem Bereich der zuvor erhaltenen Baugruppe, der sich an der den Längsträgern 19, 20 abgewandten Seite befindet und der aus dem zuvor angebrachten Strangpressprofil 17 besteht, wiederum angeschraubt werden, was durch die strichpunktierten Linien 24 in 5 angedeutet ist. Bei den Bauteilen 17, 18 handelt es sich vorzugsweise um metallische Bauteile, es müssen nicht unbedingt Strangpressprofile sein.
Alle zuvor erwähnten Strangpressprofile 11, 17, 18 können beispielsweise aus Aluminium bestehen. Es können offene oder geschlossene Strangpressprofile in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Strangpressprofile 11 aus Aluminium können beispielsweise mit Blechteilen 10 zu einer Schweißgruppe 16 verbunden werden, wie dies zuvor beschrieben wurde. Die Faserkunststoff-Verbundstrukturen 19, 20 werden vorzugsweise mit einer solchen metallischen Baugruppe (Schweißgruppe 16) verklebt. Alternativ dazu kommen insbesondere auch Verschweißen, Verschrauben, Clinchen oder Vernieten als geeignete Fügeprozesse zur Verbindung der Elemente aus Faserkunststoff-Verbunden 19, 20 mit der metallischen Baugruppe 16 in Betracht. Ein Vernieten oder Verschrauben zusätzlich zu der Klebeverbindung ist insbesondere vorteilhaft, um für eine ausreichende Anfangsfestigkeit der Verbindung zu sorgen, um einer Schälbeanspruchung der Klebeverbindung entgegenzuwirken und um eine zusätzliche Festigkeit beispielsweise im Crash-Fall zu erzielen, wenn es sich um Deformationselemente, Stoßfänger oder andere Karosseriebauteile handelt. Die Klebeflansche zur Anbindung der Faserkunststoff-Verbundstrukturen werden möglichst so gestaltet, dass sie eine Schubbeanspruchung in mindestens zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen aufnehmen können.

10: Blechteil
11: Strangpressprofil
12: Löcher
13: Aufnahmebereich
14: Aufnahmebereich
15: Stege
16: Schweißgruppe
17: Strangpressprofil
18: Strangpressprofil
19: Längsträger
19a: Endabschnitt
20: Längsträger
20a: Endabschnitt
21: Stirnseite
22: flanschartiger Teil
23: Linie
24: Linie

Claims

Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen umfassend mindestens einen Schritt, in dem eine Komponente aus Kunststoff mit einer metallischen Komponente verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens einen Verfahrensschritt umfasst, in dem ein Fügen eines Strangpressprofils (11) mit mindestens einem Blechteil (10) erfolgt und dass anschließend die so erhaltene Baugruppe (16) in mindestens einem Fügeschritt mit mindestens einer Komponente aus Kunststoff (19, 20) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Arbeitsschritt mindestens ein Strangpressprofil (11) mit mindestens einem Blechteil (10) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt mindestens ein Blechteil (10) stirnseitig auf mindestens ein Strangpressprofil (12) geschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem weiteren Schritt mindestens ein langgestrecktes trägerartiges Bauteil aus Kunststoff (19, 20) so mit der zuvor gefügten Baugruppe (16) verbunden wird, dass das Bauteil aus Kunststoff von einem Aufnahmebereich (13, 14) des ursprünglichen Strangpressprofils (11) mindestens teilweise formschlüssig aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (19, 20) aus einem Faserkunststoffverbund besteht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (19, 20) aus Kunststoff ein Längsträger der Karosserie eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Herstellung eines Stoßfängers eines Kraftfahrzeugs dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst aus mindestens einem Strangpressprofil (11) und mindestens einem Blechteil (10) eine Schweißgruppe (16) gefügt wird, die anschließend mit mindestens einem Bauteil (19, 20) aus einem Faserkunststoffverbund in mindestens einem Fügeschritt verbunden wird und außerdem in einem weiteren Arbeitsschritt mit mindestens einem weiteren Strangpressprofil (17, 18) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Strangpressprofil (17, 18) ein Deformationselement und/oder ein Querträger der Karosserie eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Herstellung einer Baugruppe eines Stoßfängers für ein Kraftfahrzeug dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (19, 20) mit der Schweißgruppe (16) durch Kleben verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres Strangpressprofil (17, 18) mit der Schweißgruppe (16) zumindest auch durch eine Schraubverbindung verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kunststoffbauteil (19, 20) mit dem aus dem ursprünglichen Strangpressprofil (11) entstandenen Bereich der Schweißgruppe (16) verbunden wird und das mindestens eine weitere Strangpressprofil (17, 18) mit dem aus dem ursprünglichen Blechteil (10) entstandenen Bereich der Schweißgruppe verbunden wird.