DE102016221431A1 - Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils in Hybridbauweise - Google Patents

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Trägerbauteils möglichst kostengünstig auszugestalten, wobei das Trägerbauteil weiterhin den Anforderungen eines Türaufprallträgers genügt und im Vergleich zu bekannten Trägerbauteilen ein geringeres Gewicht aufweist, wird vorgeschlagen, das Trägerbauteil in Hybridbauweise aus einer Faserverbundkunststoff-Komponente und einer Metallkomponente in einem kontinuierlichen Verfahren herzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils aus einer Faserverbundkunststoff-Komponente und einer Metallkomponente. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein pultrudiertes Trägerbauteil sowie ein Karosserieteil mit einem pultrudierten Trägerbauteil.
  • Als Maßnahme zum erfolgreichen Bestehen eines Seitenaufpralls beziehungsweise eines Pfahlaufpralls wird innerhalb einer Fahrzeugtür eine zusätzliche Strebe, in Form eines sogenannten Türaufprallträgers, vorgesehen. Dadurch kann ein Eindringen des Kollisionspartners in den Fahrzeuginnenraum verhindert werden. Derartige Trägerbauteile bestehen aus duktilen metallischen Werkstoffen, die zum einen das erforderliche Lastniveau gegen das Eindringen aufbringen und halten, zum anderen aber ihrer hohen Dichte geschuldet eine entsprechend hohe Masse haben.
  • Stand der Technik
  • Bekannte Lösungen bestehen aus offenen und geschlossenen Wellenprofilen aus Metall, beispielsweise Stählen und Aluminium, die fest an einer Türinnenseite angekoppelt sind und im Crashfall sich wie ein Zuggurt zwischen Türscharnier und Türschloss der Kraft in Richtung Fahrzeuginnenraum entgegensetzen und so ein Eindringen des Kollisionspartners verhindern.
  • Beispielsweise wird in der DE 10 2012 024 568 A1 eine Tür für einen Kraftwagen beschrieben. Die Tür weist ein Türträgerelement auf, an welchem eine Türbeplankung befestigt ist, die in Schalenbauweise mit einem äußeren Türbeplankungsteil und einem inneren Türbeplankungsteil ausgebildet ist, wobei wenigstens eines der Türbeplankungsteile aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist.
  • Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Trägerbauteils möglichst kostengünstig auszugestalten, wobei das Trägerbauteil Anforderungen eines Türaufprallträgers für eine Fahrzeugtür erfüllen muss und im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine signifikante Gewichtersparnis aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird hierfür ein Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils aus einer Faserverbundkunststoff-Komponente und einer Metallkomponente vorgeschlagen. Das Verfahren weist erfindungsgemäß zumindest die folgenden Schritte auf:
    1. a) Einziehen mehrerer Fasern eines Faserwerkstoffs in eine Imprägniervorrichtung; und
    2. b) Imprägnieren der Fasern mit einem Matrixwerkstoff; und
    3. c) Zuführen der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Fasern in ein Pultrusionswerkzeug, wobei die imprägnierten Fasern pultrudiert werden; und
    4. d) Aushärten des Matrixwerkstoffs im Pultrusionswerkzeug.
  • Ferner ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass während Schritt a) und/oder während Schritt b) und/oder während Schritt c) metallische Elemente, zum Beispiel in Form von metallischen Bändern, hinzugeführt werden, und die Metallkomponente dabei ausgebildet wird. Die Faserverbundkunststoff-Komponente wird mit der Metallkomponente zum pultrudierten Trägerbauteil gefügt beziehungsweise durch Fügen der beiden Komponenten das Trägerbauteil ausgebildet. Es können auch mehr als zwei Komponenten vorgesehen sein.
  • Bei dem Trägerbauteil kann es sich um eine Trägerstruktur eines Karosserieteils oder einen Türaufprallträger eines Karosserieteils oder um ein Teil eines Türaufprallträgers handeln. Das Karosserieteil könnte beispielsweise als Fahrzeugtür ausgebildet sein. Des Weiteren könnte es sich bei dem Trägerbauteil um Bauteile mit ähnlichen Anforderungen handeln. Beispielsweise muss das Trägerbauteil eine duktile Eigenschaft aufweisen, um das erforderliche Lastniveau gegen ein Eindringen eines Kollisionspartners aufbringen und halten zu können. Des Weiteren sollte das Trägerbauteil den allgemeinen Anforderungen im Karosseriebau der Fahrzeugtechnik entsprechen und somit ein möglichst geringes Gewicht aufweisen.
  • Erfindungsgemäß wird das pultrudierte Trägerbauteil somit als Hybridbauteil beziehungsweise in Hybridbauweise hergestellt. Hierunter ist zu verstehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens zwei Komponenten, nämlich die Faserverbundkunststoff-Komponente und die Metallkomponente, ausgebildet beziehungsweise hergestellt werden und derart geformt und zusammengefügt werden, dass beide Komponenten zusammen das Trägerbauteil bilden.
  • Pultrusion ist ein Fertigungsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundprofilen. Das Pultrusionsverfahren wird auch Strangziehverfahren genannt. Dabei wird der Faserwerkstoff beziehungsweise die Fasern des Faserwerkstoffs mit einem Matrixwerkstoff getränkt beziehungsweise imprägniert und anschließend in einem Pultrusionswerkzeug vernetzt. Im Pultrusionswerkzeug wird der Querschnitt des Bauteils geformt.
  • Im Folgenden wird der Begriff Faserverbundkunststoff auch mit FVK abgekürzt und die Faserverbundkunststoff-Komponente als FVK-Komponente bezeichnet. Der Faserwerkstoff kann beispielsweise durch Endlosfaserrovings oder als Garne, Zwirne oder sonstiges textiles Halbzeug wie beispielsweise uni- oder mehrdirektionales Gelege bereitgestellt werden. Bevorzugterweise weist der Faserwerkstoff Glasfasern und/oder Carbonfasern auf oder besteht aus Glasfasern oder Carbonfasern.
  • Der Matrixwerkstoff kann ein thermoplastischer oder duroplastischer Matrixwerkstoff sein.
  • In Schritt a) können die Fasern des Faserwerkstoffs mittels einer Faserzuführeinheit zugeführt beziehungsweise eingezogen werden. Beispielsweise kann die Faserzuführeinheit eine Rolle oder Spule sein oder aus mehreren Rollen beziehungsweise Spulen bestehen. In der Imprägniervorrichtung werden die eingezogenen Fasern des Faserwerkstoffs mit dem Matrixwerkstoff imprägniert, zum Beispiel in den Matrixwerkstoff getaucht oder damit übergossen. Optional können die Fasern und/oder der Matrixwerkstoff innerhalb der Imprägniervorrichtung vor dem Imprägnieren oder während des Imprägnierens erwärmt beziehungsweise erhitzt werden.
  • Erfindungswesentlich ist das vorbeschriebene Verfahren als kontinuierlicher Prozess ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die einzelnen Verfahrensschritte hintereinander, gleichzeitig oder teilweise überlappend in unmittelbarer Abfolge durchgeführt werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein funktionsspezifischer Leichtbau realisierbar, indem sich die Einzelfunktionen der verschiedenen Materialpartner beziehungsweise der beiden Komponenten günstig ergänzen und somit zu einem optimalen Leichtbau führen. Im Beispiel eines Türaufprallträgers verteilen sich zum Beispiel die Aufgaben beziehungsweise Funktionen in besonders geeigneter Weise. Die FVK-Komponente sorgt für das geforderte Widerstandsmoment, wobei die Metallkomponente mit dessen Duktilität die notwendige Festigkeit für das lange Halten dieses Widerstandes gewährleistet. Des Weiteren ist das vorbeschriebene Fertigungsverfahren kostengünstig zu realisieren, da keine separaten Produktionsschritte, wie zum Beispiel das separate Herstellen einer Metallkomponente und anschließende Beschichten mit einem Kunststoff, erforderlich sind. Das vorbeschriebene Fertigungsverfahren kann in einem kontinuierlichen Verfahrensablauf und somit besonders kostengünstig durchgeführt werden.
  • Bevorzugterweise werden die metallischen Elemente vor dem Imprägnieren in Schritt b) hinzugeführt. Zumindest werden die metallischen Elemente aber hinzugeführt, solange der Matrixwerkstoff noch flüssig ist. Besonders bevorzugterweise werden die metallischen Elemente während Schritt a) und/oder Schritt b) und somit vor Schritt c) hinzugeführt. Ganz besonders bevorzugterweise werden die metallischen Elemente während Schritt a) und somit noch vor Schritt b) hinzugeführt. Beispielsweise können die metallischen Elemente gemeinsam mit den Fasern des Faserwerkstoffs eingezogen werden. Hierbei können die Fasern des Faserwerkstoffs sowie die metallischen Elemente in geeigneter Weise vor oder während des Einziehens angeordnet werden, sodass die zwei Komponenten ausgebildet und zusammengefügt werden können. Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die FVK-Komponente mittels des Matrixwerkstoffs mit der Metallkomponente gefügt wird. Der Matrixwerkstoff kann somit gleichzeitig als Verbund beziehungsweise Verbundmaterial zwischen den beiden Komponenten, der FVK-Komponente und der Metallkomponente, dienen.
  • Bevorzugterweise werden die metallischen Elemente zumindest bereichsweise um die Faser des Faserwerkstoffs herum angeordnet. Besonders bevorzugterweise werden die metallischen Elemente dabei vollständig um die Fasern des Faserwerkstoffs herum angeordnet. Dabei können die metallischen Elemente derart angeordnet werden, dass die daraus resultierende Metallkomponente die FVK-Komponente umschließt. Dies hat den Vorteil, dass sich das resultierende Trägerbauteil in besonders geeigneter Weise in eine metallene Umgebung einfügen lässt und gleichzeitig die Leichtbaukomponente, nämlich die FVK-Komponente, funktionsgerecht integriert.
  • Vorzugsweise werden die imprägnierten Fasern des Faserwerkstoffs in Schritt c) zusammen beziehungsweise gleichzeitig mit den zugeführten metallischen Elementen abgezogen. Hierunter ist zu verstehen, dass die imprägnierten Fasern des Faserwerkstoffs und die metallischen Elemente gemeinsam pultrudiert und geformt werden. Es ist somit zur Herstellung des pultrudierten Hybrid-Trägerbauteils nur ein einziges Verfahren erforderlich. Es sind keine separaten beziehungsweise hintereinander und voneinander losgelösten Produktionsschritte erforderlich.
  • Bevorzugterweise werden die Fasern in Schritt a) im trockenen Zustand zugeführt. Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die FVK-Komponente und/oder die Metallkomponente mit einer Hohlstruktur und/oder einem hinterschnittigen Querschnitt ausgebildet werden. Alternativerweise oder zusätzlich können weitere geeignete Gestaltungsmöglichkeiten beziehungsweise Formgebungen für die beiden Komponenten vorgesehen werden.
  • Erfindungsgemäß ist ferner ein pultrudiertes Trägerbauteil aus einer FVK-Komponente und einer Metallkomponente vorgesehen, wobei die Metallkomponente um die FVK-Komponente herum angeordnet ist. Somit ist die FVK-Komponente als innere Komponente und die Metallkomponente als äußere Komponente vorgesehen. Bevorzugterweise ist die FVK-Komponente vollständig von der Metallkomponente umschlossen.
  • Ferner ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das Trägerbauteil als Türaufprallträger für ein als Fahrzeugtür ausgebildetes Karosserieteil oder als Tragstruktur eines Karosserieteils ausgebildet ist.
  • Das Trägerbauteil ist bevorzugterweise nach einem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt.
  • Erfindungsgemäß ist ferner ein Karosserieteil für ein Fahrzeug vorgesehen, welches ein vorbeschriebenes Trägerbauteil beziehungsweise ein gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren hergestelltes Trägerbauteil aufweist. Das Karosserieteil kann insbesondere als Fahrzeugtür ausgebildet sein.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1: eine Prinzipdarstellung der einzelnen Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils aus einer FVK-Komponente und einer Metallkomponente,
    • 2: ein pultrudiertes Trägerbauteil, und
    • 3: ein Karosserieteil mit einem pultrudierten Trägerbauteil
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 sind die einzelnen Verfahrensschritte für die Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils in Prinzipdarstellung abgebildet. Dabei werden zunächst Fasern 12 eines Faserwerkstoffs 13 zusammen mit den metallischen Elementen 17 in eine Imprägniervorrichtung 14 eingezogen. Innerhalb der Imprägniervorrichtung 14 werden die Fasern 12 mit dem Matrixwerkstoff 15 imprägniert. Im nächsten Schritt werden die mit dem Matrixwerkstoff 15 imprägnierten Fasern 12 in ein Pultrusionswerkzeug 16 zugeführt, wobei die imprägnierten Fasern 12 pultrudiert und die FVK-Komponente 10 geformt wird. Gleichzeitig wird im Pultrusionswerkzeug 16 die Metallkomponente 11 geformt und mittels des Matrixwerkstoffs 15 mit der FVK-Komponente 10 gefügt. Nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs 15 kann das fertige pultrudierte Trägerbauteil 100 in Hybridbauweise entnommen werden.
  • In 2 ist das pultrudierte Trägerbauteil 100, bestehend aus der FVK-Komponente 10 und der Metallkomponente 11, gezeigt. Die Metallkomponente 11 umschließt die FVK-Komponente 10 vollständig. Somit wird durch die Metallkomponente 11 die äußere Komponente des Trägerbauteils 100 und durch die FVK-Komponente 10 die innere Komponente des Trägerbauteils 100 gebildet. Da das Trägerbauteil 100 außen durch die Metallkomponente 11 gebildet wird, lässt sich das Trägerbauteil 100 in besonders geeigneter Weise an einem Karosserieteil 200 (in 2 nicht dargestellt) anbringen beziehungsweise in eine metallene Umgebung integrieren. Des Weiteren gewährleistet die äußere Metallkomponente die erforderliche Duktilität und Stützwirkung für die innere FVK-Komponente. Durch die innere FVK-Komponente kann ein Trägerbauteil 100 in Leichtbauweise bereitgestellt werden. Des Weiteren gewährleistet die innere FVK-Komponente das geforderte Widerstandsmoment, die lokale Aussteifung und somit eine besonders geeignete Lastverteilung auf größere Breiten beziehungsweise Flächen.
  • Das Trägerbauteil 100 kann beispielsweise als Türaufprallträger für eine Fahrzeugtür ausgebildet sein.
  • 3 zeigt ein Karosserieteil 200 am Beispiel einer Fahrzeugtür mit einem Trägerbauteil 100.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Trägerbauteil
    200
    Karosserieteil
    10
    Faserverbundkunststoff-Komponente
    11
    Metallkomponente
    12
    Fasern
    13
    Faserwerkstoff
    14
    Imprägniervorrichtung
    15
    Matrixwerkstoff
    16
    Pultrusionswerkzeug
    17
    Metallische Elemente
  • 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
    • DE 102012024568 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Trägerbauteils (100) aus einer Faserverbundkunststoff-Komponente (10) und einer Metallkomponente (11), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Einziehen mehrerer Fasern (12) eines Faserwerkstoffs (13) in eine Imprägniervorrichtung (14); und b) Imprägnieren der Fasern (12) mit einem Matrixwerkstoff (15); und c) Zuführen der mit dem Matrixwerkstoff (15) imprägnierten Fasern (12) in ein Pultrusionswerkzeug (16), wobei die imprägnierten Fasern (12) pultrudiert werden; und d) Aushärten des Matrixwerkstoffs (15) im Pultrusionswerkzeug (16); dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt a) und/oder Schritt b) und/oder Schritt c) metallische Elemente (17) hinzugeführt werden und die Metallkomponente (11) ausgebildet wird, wobei die Faserverbundkunststoff-Komponente (10) mit der Metallkomponente (11) zur Ausbildung des pultrudierten Trägerbauteils (100) gefügt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Elemente (17) vor dem Imprägnieren in Schritt b) hinzugeführt werden, oder hinzugeführt werden, solange der Matrixwerkstoff (15) noch flüssig ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundkunststoff-Komponente (10) mittels des Matrixwerkstoffs (15) mit der Metallkomponente (11) gefügt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Elemente (17) zumindest bereichsweise um die Fasern (12) herum angeordnet werden.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die imprägnierten Fasern (12) in Schritt c) zusammen mit den zugeführten metallischen Elementen (17) abgezogen werden.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (12) in Schritt a) in trockenem Zustand zugeführt werden.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundkunststoff-Komponente (10) und/oder die Metallkomponente (11) mit einer Hohlstruktur und/oder einem hinterschnittigen Querschnitt ausgebildet werden.
  8. Pultrudiertes Trägerbauteil (100) aus einer Faserverbundkunststoff-Komponente (10) und einer Metallkomponente (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (11) um die Faserverbundkunststoff-Komponente (10) herum angeordnet ist.
  9. Pultrudiertes Trägerbauteil (100) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (100) als Türaufprallträger oder als Teil eines Türaufprallträgers für ein als Fahrzeugtür ausgebildetes Karosserieteil (200) oder als Tragstruktur eines Karosserieteils (200) ausgebildet ist.
  10. Pultrudiertes Trägerbauteil (100) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (100) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde.
  11. Karosserieteil (200) für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Karosserieteil (200) ein Trägerbauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 aufweist.
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