DE102011016941A1

DE102011016941A1 - Kraftfahrzeugbauteil mit Trägerelement und umspritztem oder angespritztem Kunststoff-Funktionselement und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011016941A1
Application number: DE102011016941A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Eipper Konrad; Dipl.-Ing. Michael (FH) Kelz; Dr.-Ing. Rudlaff Thomas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Kraftfahrzeugbauteil mit einem Trägerelement (1) und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff und ein entsprechendes Fertigungsverfahrens bereit. Das Trägerelement (1) besteht aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff, wobei sich der Kunststoff des Funktionselements hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft, umfassend Festigkeit, Härte, Duktilität und Elastizität, von dem faserverstärkten Verbundkunststoff, des Trägerelement (1) oder dessen Matrixkunststoff unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil mit einem Trägerelement und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kraftfahrzeugbauteils.
Aus dem Stand der Technik ist die so genannte Outsert-Technologie bei metallischen Strukturen bekannt, wobei Funktionselemente aus Kunststoff an eine metallische Trägerstruktur gespritzt werden. Diese Funktionselemente können dann zur Befestigung weiterer Bauteile genutzt werden.
Hierzu beschreibt die EP 0 065 220 B1 einen umspritzten Formkörper mit einer Metallplatte, wobei voneinander unabhängige Harzteile Löcher in der Metallplatte unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung durchdringen, indem die Harzteile eine planare Querschnittsoberfläche aufweisen, die größer als der Lochdurchmesser ist. Dieser umspritzte Formkörper weist eine hohe Maßhaltigkeit auf, der in erster Linie als Hochpräzisionsteil in Form eines Gehäuse eines Videorekorders vorgesehen ist.
Auch die EP 0 974 478 B1 bezieht sich auf eine selbsttragende Trägerplatte aus Metall und Funktionselemente aus Kunststoff und offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines einstöckigen Türmoduls für Kraftfahrzeuge. Dabei wird in einem Arbeitsschritt der Kunststoff für die Funktionselemente an die vorgefertigte Trägerplatte aus Metall in genau definierten, lokal begrenzten Bereichen angespritzt und festhaftend und unlösbar mit dieser verbunden. Das so entwickelte Türmodul mit einer metallischen Trägerplatte kann großtechnisch einfach hergestellt werden und enthält alle notwendigen Halte-, Führungs- und Bedienungselemente, so dass die maschinelle Montage vereinfacht ist. Bei der Trägerplatte aus Metall kann es sich um ein Stanzbiegeblech handeln, die Funktionselemente umfassen eine Vielzahl von Halteelementen in Form von Erhebungen, Vertiefungen und Ausnehmungen, mit dem die Montage der Kraftfahrzeuge erleichtert wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeugbauteil mit einem Trägerelement und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff bereitzustellen, das dem Leichtbaugedanken im Kraftfahrzeugbau Rechnung trägt und keinen metallischen Träger aufweist und eine verbesserte Anbindung des Kraftfahrzeugbauteils an eine Rohbaustruktur des Fahrzeugs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeugbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Herstellung eines solchen Kraftfahrzeugbauteils wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 offenbart.
Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil mit einem Trägerelement und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt dadurch aus, dass das Trägerelement aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht, und dass sich der Kunststoff des Funktionselements hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft, die Festigkeit, Härte, Duktilität oder Elastizität sein kann von dem faserverstärkten Verbundkunststoff des Trägerelements unterscheidet. So können im Vergleich zu Metallbauteilen leichte Bauteile mit geeigneten, stabilen und dennoch bedarfsweise elastischen Anbindestrukturen geschaffen werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich der Kunststoff des Funktionselements vom Matrixkunststoff des faserverstärkten Verbundkunststoffs des Trägerelement (1) hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften unterscheidet.
Solch ein Funktionselement kann in einer weichen Randzone oder einem Dichtprofil bestehen, es kann sich aber auch um eine Befestigungsstelle mit einer Aufnahmeöffnung für Befestigungselemente handeln. Befestigungselemente können Schrauben oder Bolzen, aber auch anders Stifte oder Haken sein. Das Funktionselement kann auch eine Befestigungsstelle mit einer Clipsvorrichtung sein.
Der Kunststoff des umspritzten oder angespritzten Funktionselements wird aus fertigungstechnischen Gründen abhängig von der Wahl des Matrixkunststoffs des Trägerelements ausgewählt, wobei das Augenmerk insbesondere auf thermische Eigenschaften wie die Erweichungstemperatur, Schmelztemperatur oder die Wärmeausdehnung gerichtet ist. Es soll erreicht werden, dass durch das Umspritzen keine Bedingungen eingestellt werden, die das Trägerelement schädigen könnten.
Der Kunststoff des umspritzten Funktionselements ist dem Matrixkunststoff des Trägerelements vorteilhaft zumindest chemisch ähnlich und kann etwa mit diesem mischbar und/oder vernetzbar sein, um eine optimierte Anbindung der Outserts an das Trägerelement sicher zu stellen.
Zu diesem Zweck kann das Trägerelement auch Strukturen wie Ausnehmungen, Durchbrüche und/oder Flächen zum Formschluss mit dem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aufweisen.
Ferner können in einer weiteren Ausführungsform die Verstärkungsfasern des Trägerelements Kohlefasern oder Carbonfasern sein, so dass der Kunststoff des Funktionselements eine vorteilhafte elektrische Entkopplung zum Korrosionsschutz eines mittels des Funktionselements befestigbaren Metallbauteils einer Kraftfahrzeugstruktur schafft.
Bei den Fasern des FVK können die üblichen Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, bzw. Carbonfasern, Glasfasern oder Aramidfasern verwendet werden.
Schließlich kann das Funktionselement elastischer sein als das FVK-Trägerelement und damit Sprödbruch verhindern; es bietet eine elastische und/oder duktile Anbindung des Kraftfahrzeugbauteils an eine Kraftfahrzeugstruktur.
Das Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils mit einem Trägerelement und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff umfasst die Schritte des

– Herstellens des Trägerelements aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff nach einem RTM- oder SMC-Verfahren, und
– des Ausbildens der Strukturen zum Formschluss mit dem zu umspritzenden oder anzuspritzenden Funktionselement. Ferner umfasst es den Schritt
– Umspritzen oder Anspritzen des Funktionselements mit dem Kunststoff. Dieser unterscheidet sich hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft von dem faserverstärkten Verbundkunststoff des Trägerelements.

Dabei kann der Matrixkunststoff des Trägerelements beim Umspritzen des Funktionselements zumindest teilweise ausgehärtet sein.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils mit einem als Dichtprofil ausgeführten Funktionselement,
2 eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils mit einem als Befestigungsstelle mit Schraubloch ausgeführten Funktionselement,
3 eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils mit einem als Clipsbefestigungsstelle ausgeführten Funktionselement.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeugbauteil, das schematisch und ausschnittsweise mit einem Funktionselement in 1 bis 3 dargestellt ist.
Selbstverständlich kann ein Kraftfahrzeugbauteil mehrere gleichartige oder verschiedene Funktionselemente aufweisen, die formschlüssig an das Trägerelement 1 angebunden sind. Für die formschlüssige Verbindung wiederum können gleichartige, ähnliche oder unterschiedliche Strukturen wie Löcher, Durchbrüche, Flächen, Hinterschnitte etc. vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil weist ein Trägerelement 1 auf, das aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht.
Nach der Herstellung des Trägerelements 1, was beispielsweise in einem RTM- oder SMC-Verfahren erfolgt, und wobei bereits die zum Formschluss vorgesehenen Strukturen ausgebildet werden, wird das Trägerelement 1 mit dem oder den Funktionselementen in einem nachfolgenden Spritzgussprozess umspritzt. Sind mehrere Funktionselemente vorgesehen, so können alle in einem einzigen Spritzgussschritt an das Trägerelement angespritzt werden.
Da die aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff bestehenden Trägerelemente zur Bereitstellung von hohen Festigkeiten und Steifigkeiten für das Kraftfahrzeugbauteil auch meist sehr spröde sind, ist das FVK-Trägerelement 1 weniger geeignet, punktuelle Kräfte an Befestigungsstellen aufzunehmen.
Deshalb werden solche Befestigungsstellen (z. B. Schraubstellen 3 und Clipsbefestigungen 4 in 2 und 3) in der „Outsert-Technologie” nach dem eigentlichen Bauteil-Herstellungsprozess angespritzt. Zudem ist es möglich, in dem nachträglichen Spritzgussprozess flexible Bereiche wie z. B. weiche Randzonen, Dichtungen oder Dichtlippen 2, dargestellt in 1, anzuspritzen, ohne dass zusätzliche Befestigungselemente oder Klebevorgänge benötigt werden.
In beiden Fällen, für Befestigungsstellen 3, 4 und für Dichtungen 2, unterscheidet sich der Kunststoff des Funktionselements hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft, wie Festigkeit, Härte, Duktilität, Elastizität, von dem faserverstärkten Verbundkunststoff des Trägerelement 1.
Mittels der Befestigungsstellen-Outserts 3, 4 können weitere Teile (z. B. Verkleidungsteile, Halter usw.) an dem FVK-Kraftfahrzeugbauteil befestigt werden. Die Befestigungsstellen können, wie in 2 skizziert, Schraubstellen 3 mit einer Aufnahmeöffnung 3' für entsprechende Schrauben oder Bolzen etc. sein. Es können aber auch Clipsvorrichtungen 4, zu sehen in 3, als Befestigungsstellen verwendet werden.
In allen Fällen kann das Trägerelement 1 eine Struktur zum Formschluss mit dem umspritzten Funktionselement aufweisen. Beispielhaft ist ein Steg in 1, ein hinterschnittener Zapfen in 2 und ein Durchbruch mit abgesenkter Anlagefläche in 3 dargestellt. Es liegt im Können des Fachmanns, zum Formschluss geeignete Strukturen wie Ausnehmungen, Durchbrüche, Flächen in dem FVK-Trägerelement 1 zu schaffen, die geeignet zur Erzeugung eines Formschlusses mit den Anspritzteilen sind.
Der Kunststoff des umspritzten Funktionselements kann mit Rücksicht auf den Matrixkunststoff des Trägerelements 1 ausgewählt werden, und diesem damit beispielsweise hinsichtlich zumindest einer thermischen Eigenschaft entsprechen. Bei der thermischen Eigenschaft kann es sich um eine Erweichungs-, Schmelztemperatur, und insbesondere um die Wärmeausdehnung handeln. Besonders vorteilhaft weist der Kunststoff des Funktionselements eine der Wärmeausdehnung des Faserverbundkunststoffes des Trägerelements entsprechende Wärmeausdehnung auf.
Ferner kann es sinnvoll sein, dass der Kunststoff des umspritzten Funktionselements dem Matrixkunststoff des Trägerelements 1 chemisch ähnlich, d. h. damit misch-, bzw. vernetzbar ist.
Dies kann insbesondere dann wichtig sein, wenn der Matrixkunststoff des Trägerelements 1 beim Umspritzen lediglich teilweise ausgehärtet ist und somit neben der formschlüssigen Verbindung auch eine stoffschlüssige Verbindung von Funktionselement an Trägerelement realisierbar ist. Auch ist denkbar, abhängig von den gewählten Kunststoffsystemen für Matrix und Funktionselement, dass beim Anspritzen des Funktionselements das Trägerelement lokal erweicht bzw. anschmilzt und so ebenfalls ein Stoffschluss erreicht werden kann, wenn die verwendeten Kunststoffe hinreichend mischbar sind.
In einer Ausführungsform, in der die Verstärkungsfasern des Trägerelements 1 Kohlefasern sind, bewirkt die Verwendung des Funktionselements aus Kunststoff ferner eine elektrische Entkopplung eines mittels des Funktionselements befestigbaren Metallbauteils oder eines dazu verwendeten Metallstifts, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, so dass hier Kontaktkorrosion zwischen der Kohlefaser des Trägerelements und dem befestigten Metallbauteil vermieden werden kann. Die Outsert-Befestigungsstelle trägt damit zum Korrosionsschutz einer Kraftfahrzeugstruktur bei.
Schließlich ermöglicht das Funktionselement, das durch entsprechende Wahl des Kunststoffs elastischer als das FVK-Trägerelement 1 ist, eine elastische oder duktile Anbindung des Kraftfahrzeugbauteils an die Kraftfahrzeugstruktur.
Darüber hinaus ermöglicht das Kraftfahrzeugbauteil aus dem FVK-Trägerelement 1 mittels umspritzten Funktionselement aus Kunststoff eine bessere Kraftverteilung an Verbindungsstellen und höhere Ausreißkräfte sowie die Übernahme zusätzlicher Funktionen wie beispielsweise der Dichtungen am Bauteil.
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

EP 0065220 B1 [0003]
EP 0974478 B1 [0004]

Claims

Kraftfahrzeugbauteil mit einem Trägerelement (1) und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht, wobei sich der Kunststoff des Funktionselements hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft, umfassend Festigkeit, Härte, Duktilität und Elastizität, von dem faserverstärkten Verbundkunststoff des Trägerelement (1) unterscheidet.
Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement – eine weiche Randzone oder ein Dichtprofil (2) oder – eine Befestigungsstelle (3) mit einer Aufnahmeöffnung (3') für Befestigungselemente, insbesondere für Schrauben oder Bolzen, oder – eine Befestigungsstelle mit einer Clipsvorrichtung (4) ist.
Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des umspritzten oder angespritzten Funktionselements in Abhängigkeit eines Matrixkunststoffs des Trägerelements (1), insbesondere hinsichtlich zumindest einer thermischen Eigenschaft umfassend Erweichungstemperatur, Schmelztemperatur, Wärmeausdehnung, ausgewählt ist.
Kraftfahrzeugbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des umspritzten oder angespritzten Funktionselements dem Matrixkunststoff des Trägerelements (1) zumindest chemisch ähnlich, insbesondere mit diesem mischbar und/oder vernetzbar ist.
Kraftfahrzeugbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) Strukturen umfassend Ausnehmungen, Durchbrüche und/oder Flächen zum Formschluss mit dem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aufweist.
Kraftfahrzeugbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern des Trägerelements (1) Kohlefasern sind und der Kunststoff des Funktionselements eine elektrische Entkopplung zum Korrosionsschutz eines mittels des Funktionselements befestigbaren Metallbauteils einer Kraftfahrzeugstruktur bereitstellt.
Kraftfahrzeugbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement elastischer ist als das FVK-Trägerelement (1) und eine elastische und/oder duktile Anbindung des Kraftfahrzeugbauteils an eine Kraftfahrzeugstruktur bereitstellt.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils mit einem Trägerelement (1) und zumindest einem umspritzten oder angespritzten Funktionselement aus Kunststoff nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: – Herstellen des Trägerelements (1) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff nach einem RTM- oder SMC-Verfahren, und – Ausbilden der Strukturen zum Formschluss mit dem zu umspritzenden oder anzuspritzenden Funktionselement, – Umspritzen oder Anspritzen des Funktionselements mit dem Kunststoff, der sich hinsichtlich zumindest einer mechanischen Eigenschaft, umfassend, Festigkeit, Härte, Duktilität, Elastizität, von dem faserverstärkten Verbundkunststoff des Trägerelement (1) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixkunststoff des Trägerelements (1) beim Umspritzen oder Anspritzen des Funktionselements zumindest teilweise ausgehärtet ist.