DE102011119226A1

DE102011119226A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofilssowie Hohlprofilbauteil

Info

Publication number: DE102011119226A1
Application number: DE201110119226
Authority: DE
Inventors: Eckhard Reese
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-23
Also published as: EP2782746A2; WO2013075775A2; WO2013075775A3; US20140319879A1; CN103946010A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils (10), insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, bei welchem Endlosfasern (22, 32) um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils abbildenden Kern (48) zu einer Faserhohlstruktur (46) geflochten werden, wobei nach dem Flechten die Faserhohlstruktur (46) im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern (48) entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Hohlprofilbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Aus Leichtbauüberlegungen werden im Kraftwagenbau zunehmend Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Üblicherweise können solche Bauteile nur in Form von Platten oder hinterschnittfreien, geradlinig verlaufenden Hohlprofilen gefertigt werden. Komplex geformte Bauteile, beispielsweise Cackpitquerträger, die eine Mehrzahl von Anbauteilen wie die Lenkkonsole, die Mittelkonsole, den Airbagträger und die Tunnelstrebe tragen müssen, werden daher gerade beim Leichtbau mehrteilig ausgeführt und anschließend gefügt. Bei der Konstruktion von Hohlprofilbauteilen ist dabei keine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Bereichen des Bauteils möglich, so dass der Halt nicht immer optimal ist.
Zum Herstellen von komplexer geformten faserverstärkten Hohlprofilbauteilen ist es aus der DE 10 2007 057 198 A1 bekannt, beharzte Endlosfasern auf eine verlorene Form kraftschluss- und spannungsoptimiert aufzubringen, was beispielsweise durch Weben, Flechten, Sticken oder Nähen erfolgen kann. Anschließend wird das Fasermaterial unter Bildung des gewünschten verstärkten Hohlträgers ausgehärtet und die verlorene Form zerstörend entfernt.
Während dieses Verfahren auch die Herstellung von komplex geformten Hohlkörpern ermöglicht, ist es doch mit mehreren Nachteilen behaftet. Insbesondere sind nasse, also harzimprägnierte Fasern schwierig zu handhaben, wobei beispielsweise auch die Verarbeitungsmaschinen häufig gereinigt werden müssen. Auch das Bereitstellen eines verlorenen Kerns für die Herstellung jedes einzelnen Hohlprofils ist sowohl zeit- als auch kostenaufwändig. Gleiches gilt für die Zerstörung und Entsorgung des verlorenen Kerns.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches auf besonders einfache und ökonomische Weise die Herstellung von komplex geformten Hohlprofilen aus Faserverbundwerkstoffen erlaubt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Hohlprofilbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10 bereitzustellen, welches besonders widerstandsfähig gegenüber Krafteinwirkungen im Fahrbetrieb ist und welches gleichzeitig besonders ökonomisch und einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Hohlprofilbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils, insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, werden Endlosfasern um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils abbildenden Kern zu einer Faserhohlstruktur geflochten. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass nach dem Flechten die Faserhohlstruktur im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird. Auch nach dem Umspritzen kann das Werkstück im elastischen Zustand vom Kern entnommen werden.
Mit anderen Worten wird die Innenkontur des Hohlprofils im Gegensatz zum Stand der Technik mit einem Dauerkern abgebildet. Aufgrund der elastischen Natur der geflochtenen Faserhohlstruktur kann auch ein komplex geformter Dauerkern, der beispielsweise Hinterschnitte, Verzweigungen oder dergleichen aufweist, zerstörungsfrei aus der Faserhohlstruktur entfernt werden. Der zusätzliche Aufwand des Bereitstellens immer neuer verlorener Kerne sowie die aufwändige Zerstörung und Entsorgung der Kerne entfällt daher.
Vorzugsweise weist der Kern wenigstens eine Verzweigung auf. Dies erlaubt die Herstellung von besonders komplex geformten Hohlprofilen, die neben der eigentlichen kraftaufnehmenden und kraftleitenden Trägerstruktur zusätzliche einstückig und stoffschlüssig angeformte Funktionselemente, wie beispielsweise zusätzliche Streben, Konsolen oder dergleichen umfassen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Faserhohlstruktur vor der Innendruckbeaufschlagung mittels wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, Insbesondere eines Roboters, in eine endkonturnahe Form gebracht. Dies ermöglicht es, den Innenraum der Faserhohlstruktur zuverlässig vollständig mit Druck zu beaufschlagen, ohne das Falten, Knicks oder dergleichen in der Faserhohlstruktur die Formgebung beeinträchtigen. Damit ist somit eine besonders prozesssichere Formung der Faserhohlstruktur in die gewünschte Endkontur möglich.
Zweckmäßigerweise werden als Endlosfasern Hybridrovirigs aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern verwendet. Alternativ können auch mit thermoplastischem Matrixmaterial ummantelte Verstärkungsfasern, so genannte Towpregs, Anwendung finden. In beiden Fällen wird das Matrixmaterial also im festen oder teigigen Zustand in das Geflecht eingebracht. Hierdurch entfallen die Probleme bei der Handhabung harzgetränkter Verstärkungsfasern. Als Verstärkungsfasern können beispielsweise Karbonfasern, Glasfasern oder dergleichen Anwendung finden. Auch mehrere Typen von Verstärkungsfasern, beispielsweise Stahl- oder Aramidfasern neben den Karbonfasern, können in einem einzigen Roving verflochten werden. Als thermoplastisches Matrixmaterial kann beispielsweise PA oder PPA Anwendung finden. In beiden Fällen kann eine sehr feine, homogene Verteilung von Verstärkungs- und Matrixfasern erreicht werden, was später eine schnellere und bessere Konsolidierung aufgrund kurzer Fließwege des Matrixmaterials ermöglicht. Die entsprechenden Hybridrovings oder Towpregs ermöglichen zudem eine besonders genaue achsparallele Ausrichtung der Fasern ohne Verdrillungen oder Knoten, was den Kraftfluss im fertigen Hohlprofil besonders gut gestaltet.
Zum Umspritzen der Faserhohlstruktur wird vorzugsweise ein kurzfaserverstärkter Kunststoff, besonders bevorzugterweise ebenfalls ein Thermoplast, verwendet. Damit kann eine besonders hohe Festigkeit erzielt werden. Neben dem Umspritzen selbst findet dabei gleichzeitig ein Aufschmelzen des Matrixmaterials der Hybridrovings oder Towpregs statt, so dass sich ein homogener, sowohl lang- als auch kurzfaserverstärkter Hohlprofilkörper ergibt, welcher hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden beim Flechten der Faserhohlstruktur lokal unterschiedliche Wandstärken erzeugt. Dies ermöglicht eine kraftflussoptimierte Anpassung des Hohlprofils an die tatsächlichen Betriebsbelastungen, so dass bei besonders geringem Bauteilgewicht eine besonders hohe Festigkeit gegenüber im Fahrbetrieb auftretenden Belastungen erzielt wird.
Zweckmäßigerweise wird vor der Innenhochdruckbeaufschlagung die Faserhohlstruktur über die Glasübergangstemperatur und bis kurz vor den Schmelzpunkt des Matrixmaterials erwärmt, sodass dieses bereits optimal fließfähig und formbar wird und sich der Endkontur optimal anpasst.
Vorteilhafterweise wird beim Umspritzen der Faserhohlstruktur zusätzlich zumindest ein Einleger mit umspritzt. Derartige Einleger, die ebenfalls aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sein könnnen, können ebenfalls Funktionsbauteile, wie beispielsweise Konsolen, Träger, Halter, Streben oder dergleichen am Hohlprofil ausbilden. Das Umspritzen kann dabei nach an sich bekannten Verfahren in gängigen Spritzgusswerkzeugen durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Hohlprofilbauteil, insbesondere einen Cockpitquerträger für einen Kraftwagen, der ein Hohlprofil mit wenigstens einer Verzweigung aufweist, welches mit einem durchgängigen, verzweigten Fasergeflecht verstärkt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die wenigstens eine Verzweigung ein Funktionsteil, insbesondere eine Konsole, eine Tunnelstrebe oder dergleichen ausbildet. Durch die Verwendung eines durchgängigen verzweigten Fasergeflechts wird ein besonders stabiles Hohlprofilbauteil erhalten. Gleichzeitig kann durch die Verwendung der wenigstens einen Verzweigung zur Ausbildung des Funktionsteils eine besonders hohe funktionale Integration erzielt werden. Hierdurch ist es möglich, auf eine nicht stoffschlüssige Anbindung der Funktionsteile, beispielsweise durch Umspritzen oder sonstige mechanische Fügeverfahren verzichtet werden, die das Hohlprofilbauteil ggf. schwächen würden.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
2 eine Querschnittdarstellung eines Hybridrovings;
3 eine Querschnittdarstellung eines Towpregs;
4 eine im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare Flechtmaschine;
5 ein mittels der Flechtmaschine gemäß 4 hergestelltes Geflecht;
6 eine perspektivische Ansicht eines im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Dauerkerns;
7 eine Schnittdarstellung durch einen Verzweigungsbereich eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
8 eine schematische Ansicht eines robotischen Systems zum Ausrichten eines im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Faserhohlkörpers in eine endkonturnahe Lage;
9 eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Einleger beim Umspritzen des Faserhohlkörpers gemäß 8;
10 ein Spritzwerkzeug zum Umspritzen des Faserhohlkörpers;
11 eine Ansicht einer Detailstruktur des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
12, 13 zwei alternative Ansichten eines Einlegers zur Ausbildung einer Lenkkonsole in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
14, 15 zwei perspektivische Ansichten eines weiteren Einlegers für eine Lenkkonsole für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers und
16 eine perspektivische Ansicht eines Einlegers für eine Halterstruktur für einen Beifahrerairbag eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Cockpitquerträger für einen Kraftwagen umfasst eine Querstrebe 12, die als Hohlprofil ausgebildet ist, sowie eine ebenfalls hohlprofilierte Tunnelstrebe 14, die den Cockpitquerträger 10 am Tunnel des Kraftwagens abstützt. Um einen besonders stabilen Cockpitquerträger 10 zu schaffen, sind die Querstrebe 12 und die Tunnelstrebe 14 als einteiliger, verzweigter Hohlkörper aus einem faserverstärktem Kunststoff gefertigt. An der Querstrebe 12 sind ferner noch umspritzte Anbauteile, wie beispielsweise ein Halterahmen 16 für einen Beifahrerairbag oder eine Lenkerkonsole 18 angebracht. Auch Befestigungskonsolen 20 zur seitlichen Befestigung des Cockpitquerträgers 10 sind als umspritzte Kunststoffteile mit dem Cockpitquerträger 10 verbunden.
Zur Herstellung eines derartigen verzweigten Faserverbundhohlprofils können Hybridrovings, wie sie in 2 dargestellt sind Anwendung finden. Ein derartiges Hybridroving 22 umfasst eine Mehrzahl von Verstärkungsfasern 24, beispielsweise Kohlefasern, die gemeinsam mit Matrixfasern 26 aus einem thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise PPA gebündelt sind. Hierbei sind sowohl eine regelmäßig alternierende Faseranordnung 28, als auch eine ungeordnete Faseranordnung 30 möglich. Der Vorteil von Hybridrovings 22 liegt darin, dass das Matrixmaterial bereits in der Preform enthalten ist. Durch die sehr feine, homogene Verteilung der Verstärkungs- und Matrixfasern befindet sich das Matrixmaterial bereits vor dem Flechtvorgang im Geflecht. Dies ermöglicht ein schnelles und besonders zuverlässiges Konsolidieren aufgrund kurzer Fließwege der später aufgeschmolzenen Matrixfasern 26. Zudem sind die Fasern 24, 26 achsparallel und ohne Verdrillungen oder Knoten angeordnet, was die Belastbarkeit des Materials deutlich steigert. Alternativ können auch die in 3 dargestellten so genannten Towpregs 32 Anwendung finden. Hierbei handelt es sich um Stärkungsfasern 24, die mit einem Mantel 34 aus Matrixmaterial beschichtet sind. Auch hier ergeben sich besonders kurze Fließwege beim späteren Konsolidieren.
Die Verstärkungsfasern 24 können als Kohlefasern, Glasfasern oder dergleichen ausgebildet sein. Auch gemischte Faserzusammensetzungen, beispielsweise mit zusätzlichen integrierten Stahl- oder Aramidfäden sind möglich.
Zum Flechten des Hohlprofils um einen Dauerkern wird eine Flechtmaschine 36 wie in 4 dargestellt eingesetzt. Um den Dauerkern 38 ist eine Mehrzahl von Flechträdern 40, welche jeweils eine Mehrzahl von Haspeln 42 tragen angeordnet. Von den Haspeln 42 werden die jeweiligen Hybridrovings 22 abgespult und um den Kern 38 geflochten. Durch Infrarotstrahler 44 kann dabei bereits ein teilweises Anschmelzen des Materials der Matrixfasern 26 erzielt werden. Die Verwendung von mehreren Flechträdern 40 ermöglicht die Herstellung eines mehrlagigen Geflechts. Hierdurch können insbesondere auch Dickensprünge realisiert werden, wobei in stärker beanspruchten Bereichen mehrere Schichten des Geflechts übereinander geflochten werden.
Die anhand eines Ausschnittes des Geflechts 46 dargestellten Flechtwinkel können bei der derartigen Flechtprozessen +/–5° bis +/–80° betragen. Für eine Verstärkung in Nullgrad-Richtung, die insbesondere bei Biegebelastungen von Vorteil ist, können am Flechtrad zusätzliche Stehfäden zugeführt werden. Diese laufen gestreckt in das Geflecht ein und weisen dadurch quasi keine Undulation auf. Ferner kann das so genannten UD-Flechten eingesetzt werden, bei dem Hybridrovings mit reinen Matrixfäden geflochten werden und die Matrix später aufgeschmolzen wird.
Um die Verzweigung im Cockpitquerträger 10 zu realisieren, wird ein Formkern 48 gemäß 6 verwendet. Der in 6a gezeigte Formkern 48 ist mehrteilig aufgebaut und weist ein verzweigtes Mittelstück 50 auf, welches mit Endstücken 52 zum fertigen Kern 48 zusammensteckbar ist. Wie 6b zeigt, kann die Verzweigung auch durch Einstecken eines Endstücks 52 in eine entsprechende Aufnahme des Mittelstücks 50 realisiert werden.
Aufgrund der flexiblen Natur von Hybridrovings 22 bzw. Towpregs 32 ist es möglich, einen derartigen Kern 48 auch im Verzweigungsbereich vollständig zu umflechten und ihn dennoch anschließend zerstörungsfrei aus dem Geflecht 46 zu lösen. Sollte bei stärkeren Verzweigungswinkeln, wie in 7 veranschaulicht, keine vollständige Umflechtung des Verzweigungsbereichs möglich sein, so kann dieser ggf. später mit einer Umspritzung 54 versehen werden.
Nach dem Lösen des Geflechts 46 vom Kern 48 wird dieses, wie in 8 gezeigt, von einem Handhabungsroboter 56 ergriffen. Dieser weist eine Mehrzahl von Manipulatoren 58 auf, die das Geflecht 46 greifen und in einer endkonturnahen Lage halten. In dieser Lage wird das Geflecht 46 schließlich in eine Spritzgussmaschine 62 eingelegt, wobei es ggf. an mehreren Stellen noch mit Einlegern 60 aus einem thermoplastischen Kunststoff versehen wird, die im Spritzgusswerkzeug 62 an den entsprechenden Positionen gehalten werden. Vor dem eigentlichen Umspritzen des Geflechts 46 wird das Geflecht 46 mit Innendruck beaufschlagt, sodass es die gewünschte Hohlkontur auch während des Spritzgießens beibehält. Anschließend wird das Geflecht 46 und ggf. die Einleger 60 mit einer Thermoplastmasse umspritzt, die ggf. selbst noch Kurzfasern zur weiteren Verstärkung enthalten kann. Die Thermoplastmasse tritt dabei in das Geflecht 46 ein und schmilzt gleichzeitig die Matrixfasern 26 auf, sodass sich ein homogener Kunststoffkörper mit der gewünschten inneren Faserstruktur ergibt. Auch die aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Einleger 60, z. B. aus FVK, verbinden sich dabei stoffschlüssig mit dem Querträger, sodass ein einteiliger Querträger 10 mit hoher Funktionsintegration geschaffen wird.
Beim Umspritzen des Geflechts 46 können zusätzlich, wie in 11 dargestellt noch Versteifungsrippen 64 mit eingespritzt werden.
In den 12 bis 16 sind schließlich noch mehrere Beispiele für unterschiedliche Ausprägungen der Einleger 60 dargestellt. Die 12 bis 15 zeigen dabei unterschiedliche Ansichten eines Einlegers 60 zur Ausbildung der Lenkkonsole 18. Der Einleger kann aus flächigen Organoblechstrukturen 66 aufgebaut werden, die über eine Kunststoffrippenstruktur 68, die einen Hohlraum 70 ausbildet, mit dem Geflecht verbunden werden können. Entsprechende Aufnahmeöffnungen 72 dienen zum Verschrauben der Lenkkonsole 18 mit an ihr zu befestigenden Bauteilen. Auch hier können Versteifungsrippen 74 vorgesehen werden, die der Lenkkonsole 18 eine besondere Festigkeit verleihen.
16 zeigt schließlich einen Einleger 60 zur Ausbildung der Halterung 16 für einen Beifahrerairbag. Der Einleger 60 besteht hier aus einem rechteckförmig umlaufenden Rahmen 78 aus thermoplastischem Kunststoff, welcher wiederum mit einer Stoffrippenstruktur 68 versehen ist, die das zu umspritzende Geflecht 46 aufnimmt. Auch hier kann eine stoffschlüssige Verbindung durch Anschmelzen der Rippenstruktur 68 beim Umspritzen erzeugt werden, sodass auch hier ein besonders guter Halt realisiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007057198 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils (10), insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, bei welchem Endlosfasern (22, 32) um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils (10) abbildenden Kern (48) zu einer Faserhohlstruktur (46) geflochten werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Flechten die Faserhohlstruktur (46) im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern (48) entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (48) wenigstens eine Verzweigung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserhohlstruktur (46) vor der Innendruckbeaufschlagung mittels wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (56), insbesondere eines Roboters, in eine endkonturnahe Form gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Endlosfasern (32) Hybridrovings aus Verstärkungsfasern (24) und thermoplastischen Matrixfasern (26) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Endlosfasern (32) mit thermoplastischem Matrixmaterial (34) ummantelte Verstärkungsfasern (24) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umspritzen ein kurzfaserverstärkter Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Flechten der Faserhohlstruktur (46) lokal unterschiedliche Wandstärken erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Innenhochdruckbeaufschlagung die Faserhohlstruktur (46) bis kurz über den Schmelzpunkt des Matrixmaterials erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umspritzen zumindest ein Einleger (60) mit umspritzt wird.
Hohlprofilbauteil (10), insbesondere Cockpitquerträger, für einen Kraftwagen, mit einem Hohlprofil (12) mit wenigstens einer Verzweigung (14), welches mit einem durchgängigen, verzweigten Fasergeflecht (46) verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verzweigung (14) ein Funktionsteil, insbesondere eine Konsole, eine Tunnelstrebe oder dgl., ausbildet.