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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und eine Verwendung eines solchen Bauteils gemäß Anspruch 13.
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Im Stand der Technik sind Bauteile, zur Verwendung insbesondere im Fahrzeugbau bekannt, welche aus mehreren Materialarten gefertigt sind (Multimaterialdesign). Beispielsweise bestehen derartige Multimaterial-Bauteile aus Metall-Kunststoff-Verbunden, wobei die Verbindung zwischen den Materialien durch eine formschlüssige Verbindung realisiert wird, indem in dem Metall Durchbrüche oder Öffnungen vorgesehen werden.
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Diese Art der Verbindung verursacht jedoch aufgrund der hierzu notwendigen Durchbrüche Kerbwirkungen und somit unerwünschte Spannungsspitzen, welche ein Bauteilversagen begünstigen können. Weiterhin kann es bei derartigen Verbindungen vorkommen, dass nur gewisse Schichten des Multimaterial-Aufbaus Lasten übertragen können, während andere dagegen nur als Indikatoren für die Bauteilgesundheit dienen.
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Insbesondere ist es im Stand der Technik bekannt, Metallbleche mit Spritzguss-Materialien zu verbinden, was zu den erwähnten Nachteilen führen kann.
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In der
DE 10 2011 000 933 A1 ist beispielsweise ein Kugelgelenk beschrieben, welches für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs verwendbar ist. Das Kugelgelenk, welches als Führungsgelenk ausgebildet ist, weist ein Stützelement aus einem Metallblechformteil auf, welches zumindest teilweise an dessen Außenkontur mit Kunststoff umspritzt ist.
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Die Festigkeit und Steifigkeit wird bei einem derartigen Verbund hauptsächlich durch die Metallkomponente vorgegeben, und der Kunststoff dient lediglich zur Funktionsintegration oder, wie in der oben genannten
DE 10 2011 000 933 A1 , als Korrosionsschutz und ist daher nicht belastbar.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochbelastbares Bauteil mit einem möglichst geringen Gewicht und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauteils bereitzustellen sowie eine vorteilhafte Verwendung eines solchen Bauteils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 und durch eine Verwendung gemäß Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
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Es wird ein Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt, wobei das Bauteil ein Metallblech umfasst, auf bzw. an dessen Oberfläche zumindest abschnittsweise ein endlosfaserverstärkter bzw. quasi-endlosfaserverstärkter Kunststoff aufgebracht ist. Durch die Kombination von Metallblech und einem (quasi-)endlosfaserverstärkten Kunststoff ist die Fertigung von hochbelastbaren Bauteilen möglich, die dennoch ein gegenüber reinen Metallbauteilen ein geringeres Gewicht aufweisen. Ein solches Bauteil, beispielsweise ein Bauteil zur Verwendung als B-Säule eines Kraftfahrzeugs, wird dabei vorzugsweise außen durch den quasi-endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildet, der für die notwendige Festigkeit und Steifigkeit bei nur geringem Gewicht sorgt. Vorzugsweise innen ist dagegen das Metallblech vorgesehen, welches nach Art eines Einlegers, z. B. aus Stahlblech, ein vorteilhaftes, allmählich nachgiebiges Verformungsverhalten zeigt. Auf diese Weise lässt sich eine deutliche Gewichtseinsparung erreichen. Auch ist durch das so ausgebildete Bauteil sichergestellt, dass es bei Überlast nicht zu einem womöglich katastrophalen Bruch sondern zu einer quasi-metallischen Verformung kommt, was eine Reststabilität gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der endlosfaserverstärkte Kunststoff mittels eines adhäsiven Stoffs, insbesondere mittels eines Haftvermittlers oder eines adhäsiven Klebers, auf die Oberfläche des Metallblechs aufgebracht bzw. mit diesem verbunden. Durch die Verwendung eines adhäsiven Stoffs, beispielsweise des Klebstoffs Vestamelt® oder eines anderen geeigneten Haftvermittlers, kann auf einen Formschluss, welcher die oben beschriebenen Nachteile mit sich bringt, gänzlich verzichtet werden, was wiederum zu einer erhöhten Lastaufnahmefähigkeit des Bauteils führt. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch grundsätzlich auch andere Formen der Verbindung des Metalls und des endlosfaserverstärkten Kunststoffs möglich, beispielsweise mittels Nieten oder Durchspritzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der endlosfaserverstärkte Kunststoff ein Organoblech, beispielsweise aus mit quasi endlosen Glasfaserlagen verstärktes Polyamid (PA) was im Hinblick auf die Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils besonders vorteilhaft ist. Organoblech ist an sich gut bekannt und lässt sich unter bestimmten Bedingungen ähnlich metallischen Werkstoffen umformen und verarbeiten.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an den Verbund aus Metallblech und endlosfaserverstärktem Kunststoff zusätzliche Funktionselemente, wie Bauteilaufnahmen, Befestigungsstellen oder dergleichen, und/oder Versteifungsstrukturen aus spritzgegossenem bzw. spritzgießbarem Material, insbesondere aus einem Thermoplast, angespritzt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das Spritzgussmaterial und der endlosverstärkten Kunststoff, insbesondere die Organoblechmatrix, eine stoffschlüssige Verbindung eingehen, z. B. durch Auswählen kompatibler oder identischer Kunststoffe. Dies vermeidet unter anderem den Nachteil, dass ansonsten Laschen, Ösen oder dergleichen zur Anbringung von Funktionselementen an dem Metalleinleger angeschweißt werden müssten. Durch die zusätzliche Verwendung von Spritzgussmaterial können derartige Anbindungsstellen und Funktionsaufnahmen auf einfache Weise und somit kostengünstig direkt angespritzt werden. Formschlüssige Anbindungsstellen, wie Bohrungen oder dergleichen, die zu einer Schwächung des Materials führen würden, sind folglich nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus ist es hierbei besonders vorteilhaft, wenn es sich bei dem an das Organoblech angespritzten Material um einen Kunststoff handelt, welcher mit dem Organoblech bzw. dessen Matrix kompatibel ist, um so eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen, worauf bereits hingewiesen wurde.
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Vorzugsweise ist das Bauteil mittels thermischen Fügens an metallische Strukturen anfügbar, so dass auf einfache und zuverlässige Weise eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Bauteil, speziell dem Metallblech, und einer weiteren metallischen Struktur geschaffen werden kann. Beispielsweise kann das Bauteil mittels thermischen Fügens oder alternativ durch form- und kraftschlüssige Verbindungen an einer Fahrzeugkarosserie angebracht werden.
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Das Bauteil kann als ein Türspriegel, ein Lenker, insbesondere ein Zweipunkt- oder Dreipunkt-Lenker, eine B-Säule oder eine Pendelstütze für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein und entsprechend verwendet werden. Bei derartigen Bauteilen ist es besonders wichtig, dass sie hochgradig belastbar sind, ohne plötzlich zu versagen. Beispielsweise dient die B-Säule eines Kraftfahrzeugs dazu, im Falle eines Unfalls hohe Lasten aufzunehmen und dabei einen ausreichenden Fahrgastschutz zu bieten. Wäre eine derartige B-Säule lediglich in (endlosfaserverstärktem) Kunststoff ausgebildet, wäre sie relativ spröde und könnte bei hoher Belastung plötzlich zerbrechen. In Verbindung mit dem Metallblech kann sie jedoch bei relativ geringem Gewicht hohe Belastungen aufnehmen und aufgrund des metallischen Verformungsverhaltens auch im Überlastfall ausreichenden Schutz bieten.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt, wobei das Verfahren das Aufbringen eines adhäsiven Stoffs auf zumindest einen Abschnitt einer Oberfläche eines vorgeformten Metallblechs und das Aufbringen eines (quasi-)endlosfaserverstärkten Kunststoffs auf den zumindest einen Abschnitt der mit dem adhäsiven Stoff versehenen Oberfläche des Metallblechs umfasst. Durch ein solches Verfahren kann ein hochbelastbares Bauteil mit geringem Gewicht bereitgestellt werden, welches bei Überlast nicht zerbrechen wird, sondern eine quasi-metallische Verformung zeigt, worauf bereits hingewiesen wurde. Dabei können die zur Fertigung eines derartigen Bauteils erforderlichen Prozessschritte im Vergleich zur Fertigung von herkömmlichen metallischen Produkten nach Anzahl und damit verbundenen Kosten reduziert werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin ein Anspritzen von Funktionselementen und/oder Versteifungsstrukturen aus spritzgießbarem Material, insbesondere aus einem Thermoplast, an den endlosfaserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise unter Ausbildung eines Stoffschlusses. Die Materialien, d. h. das Metallblech, der endlosfaserverstärkte Kunststoff und das spritzgießbare Material können dabei in einem oder in mehreren Prozessschritten verarbeitet und miteinander verbunden werden. Bei ausreichender Haftung (z. B. Haftvermittler) ist auch ein Anspritzen an das Metallblech möglich und realisierbar.
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Das Verfahren kann darüber hinaus vorzugsweise weiterhin den Schritt eines thermischen Fügens des Bauteils an eine weitere metallische Struktur umfassen, insbesondere im Bereich des Metallblechs.
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Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
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1A, 1B Ansichten eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform in Form einer Pendelstütze;
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2A–2D verschiedene Ansichten eines Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs;
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3A–3C verschiedene Ansichten eines Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form eines Dreipunkt-Lenkers; und
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4A–4C verschiedene Ansichten eines Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form eines Türspriegels.
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1A und 1B zeigen Ansichten eines Bauteils 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei 1A eine perspektivische Gesamtansicht des Bauteils 1 und 1B eine Schnittansicht durch das in 1A dargestellte Bauteil 1 ist. Das Bauteil 1 ist hier als Pendelstütze ausgebildet, welche zwei Lagerstellen 2, 2‘ an den gegenüberliegenden Enden eines Verbindungsabschnitts 3 aufweist. Wie insbesondere der 1B entnommen werden kann, ist der Verbindungsabschnitt 3 aus einem Metallblech 4 bzw. Metallinsert mit einem U-förmigen Profil aufgebaut, auf dessen äußerer Oberfläche 5 ein — zumindest in dem Verbindungsabschnitt 3 — ebenfalls mit einem im Wesentlichen U-förmigen Profil ausgebildeter Strukturkörper 6 aus (quasi-)endlosfaserverstärktem Kunststoff 7, speziell aus Organoblech, aufgebracht ist. Der Strukturkörper 6 aus Organoblech ist hierbei auf die äußere Oberfläche 5 des Metallblechs 4 mittels des kommerziell erhältlichen Klebstoffs Vestamelt® aufgeklebt, so dass das Metallblech 4 und das Organoblech einen festen Verbund bilden, ohne dass die Erfindung auf die Verwendung des genannten Klebstoffes beschränkt wäre. In dem Zwischenraum innerhalb des U-förmigen Profils des Metallblechs 4 sind eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 8 aus einem thermoplastischen Material an die innere Oberfläche 9 des Metallblechs 4 angespritzt. Die Lagerstellen 2, 2‘ sind ebenfalls aus Organoblech aufgebaut bzw. durch den Strukturkörper 6 gebildet. Alternativ kommt eine Ausbildung der Lagerstellen im Spritzgussmaterial in Betracht.
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2A bis 2D sind verschiedene Ansichten eines Bauteils 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs, wobei 2A eine perspektivische Ansicht der B-Säule von hinten, 2B eine Ansicht der B-Säule von vorne, 2C eine Seitenansicht der B-Säule und 2D eine Schnittansicht durch die B-Säule ist. Die B-Säule bildet die Verbindung zwischen Fahrzeugboden und Fahrzeugdach in der Mitte einer Fahrgastzelle und weist einen oberen Abschnitt 10, einen mittleren Abschnitt 11 und einen unteren Abschnitt 12 auf. Der obere Abschnitt 10 ist gegenüber dem mittleren Abschnitt 11 verbreitert und dient als Anbindung zum Fahrzeugdach. Der untere Abschnitt 12 ist ebenfalls gegenüber dem mittleren Abschnitt 11 verbreitert und dient als Anbindung zu der unteren Fahrzeugkarosserie. Da die B-Säule die Aufgabe hat, die Fahrgastzelle gegen vertikale Verformung zu stabilisieren, ist es besonders wichtig, dass sie hohen Belastungen standhält. Wie insbesondere in 2D erkennbar ist, wird das Bauteil 1 in Form der B-Säule durch ein im Metallblech 4 mit einem im Wesentlichen U-förmigen Profil aufgebaut, auf dessen äußerer Oberfläche 5 ein Strukturkörper 6 aus endlosfaserverstärktem Kunststoff ebenfalls mit im Wesentlichen U-förmigen Profil aufgebracht ist. An die innere Oberfläche 9 des Metallblechs 4 sind wiederum Verstärkungsrippen 8 aus einem thermoplastischen Material angespritzt, die dem Bauteil 1 eine noch bessere Festigkeit und Steifigkeit verleihen.
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3A bis 3C sind verschiedene Ansichten eines Bauteils 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form eines Dreipunkt-Lenkers, wobei 3A eine perspektivische Ansicht des Dreipunkt-Lenkers von unten, 3B eine Vorderansicht des Dreipunkt-Lenkers, und 3C eine Detailansicht eines Abschnitts des Dreipunkt-Lenkers ist. Das Bauteil 1 ist hier insgesamt im Wesentlichen V-förmig ausgebildet (siehe 3A) und weist einen ersten Schenkel 13 sowie einen zweiten Schenkel 14 auf, welche V-förmig an einem Scheitelpunkt 15 zusammenlaufen. An der Unterseite 16 des Dreipunkt-Lenkers ist eine Vielzahl von Verstärkungselementen 8 angeordnet. Wie insbesondere in der Schnittansicht des ersten Schenkels 13 gemäß 3C erkennbar ist, ist auch hier das Bauteil 1 aus einem im Wesentlichen U-förmigen oder wannenförmigen Metallblech 4 aufgebaut, auf dessen äußerer Oberfläche 5 ein ebenfalls im Wesentlichen U-förmiger Strukturkörper 6 aus endlosfaserverstärktem Kunststoff 7 aufgebracht ist. An die innere Oberfläche 9 des Metallblechs 4 sind die Verstärkungselemente 8 aus einem thermoplastischen Material angespritzt.
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Schließlich zeigen 4A bis 4C verschiedene Ansichten eines Bauteils 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form eines Türspriegels, wobei 4A eine perspektivische Ansicht des Bauteils 1 von unten, 4B eine perspektivische Ansicht des Bauteils 1 von oben, und 4C eine Schnittansicht durch das Bauteil 1 ist. Wiederum ist das Bauteil 1, wie in 4A gut erkennbar, an seiner Unterseite mit rippenartigen Verstärkungselementen 8 versehen. Wie 4C zeigt, ist das Bauteil 1 wiederum durch ein im Wesentlichen U-förmiges Metallblech 4 aufgebaut, auf dessen äußerer Oberfläche 5 ein ebenfalls im Wesentlichen U-förmiger Strukturkörper 6 aus endlosfaserverstärktem Kunststoff 7 aufgebracht ist. An die Unterseite des Metallblechs 4 sind die Verstärkungselemente 8 aus einem thermoplastischen Material angespritzt, so dass der so gebildete Türspriegel als leichtes aber dennoch strukturstabiles und hochbelastbares Bauteil mit metallähnlichem Versagensverhalten ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2, 2‘
- Lagerstelle
- 3
- Verbindungsabschnitt
- 4
- Metallblech bzw. Metallinsert
- 5
- äußere Oberfläche des Metallblechs
- 6
- Strukturkörper
- 7
- endlosfaserverstärkter Kunststoff
- 8
- Verstärkungsrippe bzw. Verstärkungselement
- 9
- innere Oberfläche des Metallblechs
- 10
- oberer Abschnitt
- 11
- mittlerer Abschnitt
- 12
- unterer Abschnitt
- 13
- erster Schenkel
- 14
- zweiter Schenkel
- 15
- Scheitelpunkt
- 16
- Unterseite des Dreipunkt-Lenkers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011000933 A1 [0005, 0006]
