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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Bauteilgruppe, insbesondere einer Karosseriekomponente, einer Karosserie oder einer Fahrwerkskomponente, für ein Kraftfahrzeug sowie eine entsprechende Bauteilgruppe.
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Bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen finden Hybridbauteile insbesondere für Karosserie- und Fahrwerkbauteile verstärkt Anwendung, um ein Bauteilgewicht und damit das gesamte Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Auf diese Weise lässt sich ein Kraftstoffverbrauch senken und die Fahrdynamik sowie die Fahrzeugeffizienz steigern.
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Üblicherweise wird zur Herstellung ein metallischer Grundkörper mit Hilfe eines zusätzlichen Bauteils aus Faserverbundmaterial zumindest bereichsweise verstärkt. Derartige Hybridbauteile zeichnen sich durch eine leichte Struktur aus, deren Crasheigenschaften und Steifigkeit bei optimaler Auslegung gegenüber rein metallischen Bauteilen deutlich verbessert werden können. Eine Verbindung zwischen dem metallischen Grundkörper und dem Faserverbundbauteil wird beispielsweise durch Verkleben mit separatem Klebstoff oder Vernieten erzielt. Alternativ ist ein direktes, formschlüssiges Verspritzen des Kunststoffs bekannt.
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Ein Hybridbauteil in Form einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs und dessen Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 058 602 A1 bekannt. Hierbei wird zunächst ein Stapel mit vorimprägnierten Faserstoffen, sogenannten Prepregs, erstellt, welcher anschließend entsprechend einer gewünschten Geometrie zugeschnitten wird. Nachfolgend wird der zugeschnittene Stapel zu einer dreidimensionalen Form vorgeformt. Der vorgeformte Stapel kann anschließend mit einem metallischen Grundkörper verpresst werden. Die Verbindung zwischen beiden Werkstoffen wird mit Hilfe eines Klebstoffs realisiert.
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Derartige Verfahren erfordern also eine umfassende Vorbereitung, beispielswiese durch Stapelprozesse und Zuschnitte sowie exakte Vorformprozesse zur Herstellung des vorgeformten Verstärkungsbauteils mit ausreichend geringen Toleranzen. Nur so kann in dem anschließend erforderlichen Fügeschritt ein späteres Zusammenfügen und Verkleben mit dem metallischen Bauteil zuverlässig und reproduzierbar durchgeführt werden. Aufgrund des Herstellungsprozesses ergibt sich üblicherweise eine einheitliche Bauteildicke für das Verstärkungsbauteil, so dass weniger belastete und stärker belastete Bauteilbereiche in gleichem Maße verstärkt werden. Dies führt zusammen mit einem anfallenden Verschnitt zu einem hohen Materialaufwand an kostenintensivem Fasermaterial.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils bereitzustellen. Insbesondere soll ein Verfahrensablauf vereinfacht und ein Einsatz an teurem Fasermaterial und kostenintensivem Werkzeug möglichst gering gehalten werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Bauteilgruppe, insbesondere einer Karosseriekomponente, einer Karosserie oder einer Fahrwerkskomponente, für ein Kraftfahrzeug mit mindestens den folgenden Schritten vorgesehen:
- a. Bereitstellen der Bauteilgruppe, wobei die Bauteilgruppe mindestens zwei miteinander fest verbundene Bauteile umfasst,
- b. Beschichten einer Oberfläche der Bauteilgruppe mit einer Korrosionsschutzschicht,
- c. Aufbringen eines Verstärkungselements aus Faserverbundmaterial mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei die Matrix einen nicht-ausgehärteten Zustand aufweist, und das Verstärkungselement derart auf zumindest einen Teilbereich der beschichteten Oberfläche der Bauteilgruppe aufgebracht wird, dass ein erster Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem ersten Bauteil der Bauteilgruppe gebildeten ersten Oberflächenbereich und ein zweiter Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem zweiten Bauteil der Bauteilgruppe gebildeten zweiten Oberflächenbereich angeordnet sind.
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Dies bedeutet, dass sich die Bauteilgruppe aus mehreren einzelnen Bauteilen, also zumindest dem ersten und dem zweiten Bauteil, zusammensetzt, welche fest, insbesondere starr, miteinander verbunden sind. Selbstverständlich kann die Bauteilgruppe mehr als die beiden Bauteile umfassen, wobei jedes der Bauteile mit einem oder mehreren der anderen Bauteile entsprechend verbunden ist. Jedenfalls wird die Bauteilgruppe mit der Korrosionsschicht beschichtet, um eine Oberflächenkorrosion zu vermeiden.
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Anschließend wird das Verstärkungselement auf die mit der Korrosionsschutzschicht beschichtete Bauteilgruppe aufgebrächt, wobei das Verstärkungselement übergreifend über mehrere Bauteile auf der beschichteten Oberfläche der Bauteilgruppe abgelegt wird. Selbstverständlich können mehr als nur ein Verstärkungselement auf diese Weise auf die Bauteilgruppe aufgebracht werden oder das Verstärkungselement aus mehreren nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Teilelementen bestehen.
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Das Aufbringen des Verstärkungselements erfolgt - wie beschrieben - in einem nicht-ausgehärteten, also einem flüssigen oder zähflüssigen Zustand der Matrix. Hierbei kann die Matrix entweder noch nicht-ausgehärtet sein oder ausgehend von einem ausgehärteten Zustand beziehungsweise einem teilweise ausgehärteten Zustand zurück in den nicht-ausgehärteten Zustand. Als nicht-ausgehärteter Zustand ist also im Rahmen dieser Beschreibung außerdem auch - jedoch keinesfalls abschließend - ein wieder erweichter Zustand oder ein schmelzeflüssiger Zustand, oder aber ein Zustand zwischen diesen beiden Zuständen zu verstehen.
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Als Matrix-Material eignen sich sowohl duroplastische als auch thermoplastische Werkstoffe. Dieses befindet sich für den Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements in dem nicht-ausgehärteten, zähflüssigen Zustand. Im Falle einer thermoplastischen Matrix wird der nicht-ausgehärtete Zustand auch als nicht-konsolidierter Zustand bezeichnet. Erst in einem der nachfolgenden Schritte erfolgt die beschriebene Aushärtung der Matrix und damit des Verstärkungselements. Die Aushärtung der Matrix kann in jeder der beschriebenen Ausführungsformen zum Beispiel durch Aushärten bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur, insbesondere in einem Ofen, ausgehärtet werden. Im Falle einer thermoplastischen Matrix wird das Aushärten auch als Konsolidieren bezeichnet.
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Dies bedeutet, dass das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements einen Faser-Kunststoff-Verbund mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern umfasst, wobei die Matrix in dem nicht-ausgehärteten, also in dem flüssigen oder zähflüssigen Zustand vorliegt. Die in der Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern sind hierbei entweder teilweise oder vollständig mit der Matrix umgeben. Erst in einem späteren Schritt erfolgt das Aushärten der Matrix und damit des Verstärkungselements, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird.
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In jedem Fall wird der erste Abschnitt des Verstärkungselements auf dem ersten Oberflächenbereich abgelegt, welcher dem ersten Bauteil zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass der erste Oberflächenbereich von dem auf dem ersten Bauteil aufgebrachten Abschnitt der Korrosionsschutzschicht gebildet ist. Entsprechend ist der zweite Oberflächenbereich also der Bereich der Korrosionsschicht, welcher auf der Bauteiloberfläche des zweiten Bauteils aufgebracht ist.
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Auf diese Weise werden die entsprechenden Bauteile zusätzlich zu ihrer bestehenden, festen Verbindung außerdem durch das Verstärkungselement miteinander verbunden. Gegenüber herkömmlichen lokalen Verstärkungen, die lediglich bauteilverstärkend wirken und dementsprechend auf ein jeweiliges, einzelnes Bauteil beschränkt sind, kann auf diese Weise übergreifend über Bauteilgrenzen hinweg eine Verbindung geschaffen werden, welche zusätzlich zu der lokalen Verstärkung außerdem eine Versteifung der gesamten Bauteilgruppe bewirkt. Entsprechend können an die feste Verbindung der Bauteile geringere Lastanforderungen gestellt werden.
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Bei dem beschriebenen Verfahren erfolgt also ein Urformen beziehungsweise Umformen des Verstärkungselements (also die Herstellung und Formgebung des Verstärkungselements) erst durch das Aufbringen auf die Bauteilgruppe. Ein vorgelagerter Fertigungsprozess zum Vorformen kann demnach entfallen. Entsprechend kann auf teure Vorformwerkzeuge verzichtet und ein Fügeprozess deutlich vereinfacht werden.
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Aufgrund der lokalen Verstärkung und Versteifung der Bauteilgruppe kann im Gegenzug eine jeweilige Dicke der einzelnen Bauteile reduziert und bedarfsgerecht ausgelegt werden. Außerdem kann optional beim Aufbringen des Verstärkungselements eine lokale Dicke des Verstärkungselements angepasst werden, indem je nach Bedarf lokal mehr oder weniger Lagen des Faserverbundmaterials aufgebracht werden. Dies bedeutet, dass das Verstärkungselement entlang seiner Erstreckung eine variierende Dicke aufgrund einer lokal unterschiedlichen Lagenanzahl aufweisen kann. Dies ermöglicht einen verbesserten Leichtbau mit einer erhöhten Festigkeit und Steifigkeit sowie Einsparungen von Material bei den einzelnen Bauteilen sowie dem Verstärkungselement.
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Zum Beispiel kann der Schritt des Beschichtens ein Beschichten der Oberfläche mit einer Kathodischen Tauchlackierung (KTL) umfassen. Hierbei kann die Bauteilgruppe in einem noch nicht beschichteten Zustand in ein entsprechendes Tauchbad getaucht werden. Dies eignet sich insbesondere für größere Bauteilgruppen einschließlich einer als ganze Fahrzeugkarosserie ausgeführten Bauteilgruppe.
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Des Weiteren kann der Schritt des Beschichtens ein zumindest teilweises oder vollständiges Aushärten der Korrosionsschutzschicht umfassen, welcher vor dem Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements erfolgt. Dies bedeutet, dass die Korrosionsschutzschicht nach dem Schritt des Beschichtens zunächst lediglich teilweise oder vollständig getrocknet beziehungsweise ausgehärtet wird. Dies kann beispielsweise unter Hitzeeinwirkung erfolgen, insbesondere mittels entsprechender Wärmestrahler oder in einem geeigneten Ofen. Erst nach dem teilweisen oder vollständigen Aushärten der Korrosionsschutzschicht wird das Verstärkungselement aufgebracht und selbst in einem späteren Aushärtungsschritt ausgehärtet. Beispielsweise kann das Verstärkungselement auf die bereits abgekühlte oder durch das Aushärten noch warme Bauteilgruppe aufgebracht werden.
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Alternativ hierzu oder zusätzlich kann nachfolgend zu dem Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements, welcher nach dem Beschichten der Oberfläche der Bauteilgruppe mit der Korrosionsschutzschicht durchgeführt wird, ein Schritt des gemeinsamen Aushärtens der Korrosionsschutzschicht und des Verstärkungselements erfolgen. Dies bedeutet, dass die Korrosionsschicht während des Aufbringens des Verstärkungselements noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist. In diesen Fällen kann die noch nicht (teilweise) oder noch nicht vollständig ausgehärtete Korrosionsschutzschicht gemeinsam mit dem aufgebrachten, ebenfalls noch nicht ausgehärteten Verstärkungselement ausgehärtet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements ein direktes Ablegen des Verstärkungselements auf die Korrosionsschutzschicht umfassen. Dies bedeutet, dass das Verstärkungselement unmittelbar auf der Korrosionsschutzschicht der Bauteilgruppe abgelegt und mit dieser verbunden wird. Dies kann beispielsweise durch Verkleben erfolgen, wobei als Klebstoff entweder die in dem Faserverbundmaterial enthaltene Matrix oder ein separater Klebstoff eingesetzt wird.
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Wird die Matrix zur Verbindung des Verstärkungselements mit der Bauteilgruppe eingesetzt, so wirkt diese aufgrund ihres nicht-ausgehärteten, also flüssigen oder zähflüssigen Zustands ebenfalls anhaftend und stellt nach einer Aushärtung eine zuverlässige und haltbare Verbindung zu der Korrosionsschutzschicht her. Bildet dagegen der Klebstoff eine Verbindungsschicht zwischen dem Verstärkungselement beziehungsweise der Matrix und der Korrosionsschutzschicht, so ist auch diese Anordnung im Rahmen dieser Beschreibung trotz der Verbindungsschicht als „direkte“ Verbindung der zu verbindenden Elemente zu verstehen.
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In jedem Fall wird auf diese Weise eine vorgelagerte Herstellung einer Vorform vermieden, welche ansonsten in zusätzlichen Prozessschritten vorbereitet und anschließend mit der Bauteilgruppe verbunden werden müsste. Zusätzlich kann mit Hilfe des direkten Ablegens ein Materialeinsatz minimiert werden, indem nur dort ein Verstärkungselement aufgebracht wird, wo es erforderlich ist und somit eine Größe entsprechend ohne Verschnitt angepasst werden.
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Beispielsweise können die Verstärkungsfasern aus einer Gruppe umfassend Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunststofffasern, Metallfasern und/oder Naturfasern ausgewählt sein. Selbstverständlich können die genannten Verstärkungsfasern auch in den bekannten Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Soll die Bauteilgruppe einer Lackierung unterzogen werden, so kann das Verstärkungselement und gegebenenfalls die Korrosionsschutzschicht zunächst lediglich bis zu einem lackierbaren Zustand ausgehärtet und lackiert werden. Anschließend kann die lackierte Bauteilgruppe einer (weiteren) Wärmebehandlung unterzogen werden, um sowohl den Lack als auch das Verstärkungselement sowie gegebenenfalls die Korrosionsschutzschicht gemeinsam weiter auszuhärten.
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Bei der Aushärtung in einem Ofen kann eine vollständige Aushärtung des Verstärkungselements beziehungsweise der Matrix stattfinden. Hierbei begünstigt eine Aushärtetemperatur im Ofen die Aushärtung der Matrix und ermöglicht eine höhere Glasübergangstemperatur als bei einer Aushärtung unter Raumtemperatur, wodurch nochmals verbesserte mechanische Kennwerte erzielbar sind.
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Des Weiteren können die Verstärkungsfasern als Gewebe, Gelege, Geflecht, Gestrick, unidirektionale Tapes, Bänder oder Rovings ausgebildet sein. Entsprechend kann jedes Verstärkungselement hiervon eine oder mehrere übereinander angeordnete beziehungsweise gestapelte Lagen dieser Halbzeuge aufweisen.
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Der Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements kann ein gemeinsames Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern, oder ein separates Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern in einer Anzahl von Teilschritten umfassen. Das gemeinsame Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern kann beispielsweise in Form von vorimprägnierten Verstärkungsfasern, insbesondere als sogenannte „Prepregs“, erfolgen. Alternativ kann ein separater Auftrag erfolgen, indem beispielsweise in einem ersten Teilschritt zunächst Matrix auf die entsprechende Stelle aufgebracht wird und anschließend eine oder mehrere Lagen von trockenen oder ebenfalls vorimprägnierten Verstärkungsfasern. Je nach Bedarf können in weiteren zwischengeordneten Teilschritten weitere Matrix auf beziehungsweise zwischen die Lagen der Verstärkungsfasern aufgebracht werden.
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In beiden Fällen können zur Erzeugung eines mehrlagigen Aufbaus vorzugsweise die einzelnen Lagen nacheinander auf die Bauteilgruppe aufgebracht werden. Also wird in einem ersten Schritt eine erste Lage des Verstärkungselements unmittelbar auf die mit der Korrosionsschutzschicht beschichtete Oberfläche der Bauteilgruppe aufgebracht. In einem späteren Schritt kann auf die erste Lage lediglich abschnittsweise oder vollflächig eine zweite Lage des Verstärkungselements abgelegt werden. Im Anschluss können bei Bedarf weitere Lagen in gleicher Weise aufgetragen werden. Dieser lagenweise Aufbau ermöglicht es, eine Dicke des Verstärkungselements abschnittsweise zu variieren, so dass das Verstärkungselement im Bedarfsfall keine einheitliche Dicke aufweisen muss. So kann zusätzlich teures Fasermaterial und Bauteilgewicht eingespart werden.
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Zum Beispiel kann der Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements mit dem „Automated Fiber Placement“ (kurz: AFP) Verfahren, dem „Fiber Patch Placement“ (kurz: FPP) Verfahren, dem „Automated Tape Laying“ (kurz: ATL) Verfahren oder mittels Handlaminierens erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verstärkungselement entlang eines Kraftflusspfades (auch als Lastpfad bezeichnet) angeordnet sein. Hierzu eignen sich grundsätzlich alle genannten Formen des Verstärkungselements beziehungsweise des Faserverbundmaterials, in besonderer Weise jedoch unidirektionales Faserverbundmaterial, also Tapes beziehungsweise Bänder mit unidirektionaler Faserausrichtung, die entlang eines Kraftflusspfades erstreckt angeordnet werden.
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Außerdem kann der Schritt des Bereitstellens der Bauteilgruppe ein festes Verbinden mindestens zweier Bauteile umfassen, insbesondere ein stoffschlüssiges, kraftschlüssiges und/oder formschlüssiges Verbinden, vorzugsweise mittels Kleben und/oder Schweißen. Somit kann die entsprechende Verbindung mit Hilfe des aufgebrachten Verstärkungselements unterstützend verstärkt und versteift werden, so dass geringere Anforderungen an die feste Verbindung gestellt werden können.
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Zum Beispiel kann das Verstärkungselement mit jeweils einem Abschnitt auf einem jeweiligen Oberflächenabschnitt der folgenden Bauteile des Kraftfahrzeugs angeordnet sein und diese miteinander verbinden: einen Vorderrahmenwagen und eine A-Säule, und/oder die A-Säule und einen Dachspriegel, und/oder die A-Säule und einen Dachseitenrahmen, und/oder den Dachseitenrahmen und eine C-Säule, und/oder die C-Säule mit einem Kofferraumrahmen, und/oder den Dachseitenrahmen und eine B-Säule, und/oder die B-Säule und den Dachspriegel, und/oder die B-Säule und einen Seitenschweller.
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Auf diese Weise ist es möglich im Bedarfsfall eine Verstärkung einer Fahrzeugkarosserie über nahezu eine komplette Fahrzeuglänge bereitzustellen, also von einem Vorderwagenrahmen, über die A-Säule, entlang des Dachseitenrahmens und der C-Säule bis zu einem Kofferraumrahmen mit einem durchgängigen Verstärkungselement aus Faserverbundmaterial oder mehreren entsprechenden, aneinandergesetzten Teilelementen.
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Hierbei, aber auch grundsätzlich für alle Ausführungsformen, kann beispielsweise das Verstärkungselement aus einem einzelnen Element oder aus mehreren Teilelementen ausgeführt sein. Beispielsweise können die mehreren Teilelemente zumindest in ihren Randabschnitten miteinander überlappend angeordnet werden, um eine erforderliche Größe des gesamten Verstärkungselements bereitstellen zu können.
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Ebenso lassen sich Knotenpunkte, beispielsweise zwischen der B-Säule und dem Dachspriegel und/oder zwischen der B-Säule und dem Schweller, verstärken und somit eine Steifigkeit der Karosserie erhöhen, indem für jede Verbindung jeweils ein Verstärkungselement oder für beide Verbindungen ein gemeinsames, durchgängiges Verstärkungselement vorgesehen wird.
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In jedem Fall kann ein Aufbringen des Verstärkungselements auf einer Außenseite, also einer einem Nutzer zugewandten Seite, oder auf einer Innenseite, also beispielsweise einer Karosserie-innenliegenden Seite, erfolgen. Auch eine Anordnung des Verstärkungselements in einem Sichtbereich ist möglich, so dass das Verstärkungselement nicht nur einer strukturellen Verstärkung und Versteifung sondern auch optischen Zwecken dienen kann. Entsprechend kann das Verstärkungselement auf einer Bauteilgruppe aufgebracht werden, die durch eine Einstiegsöffnung beziehungsweise Türöffnung einer Fahrzeugkarosserie oder eine Sicke beziehungsweise Vertiefung gebildet wird. Beispielsweise kann eine Anbindung an eine Motorhaube entsprechend ausgebildet sein.
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Ebenfalls beispielsweise kann zumindest eines der Bauteile der Bauteilgruppe aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl und/oder Aluminium, oder aus einem Kunststoff und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Entsprechend sind also Bauteilgruppen mit Bauteilen möglich, die alle einheitlich aus einem der genannten Materialien gefertigt sind, oder aber die Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen fertigt sind.
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Des Weiteren wird eine faserverstärkte Bauteilgruppe, insbesondere eine Karosseriekomponente, eine Karosserie oder eine Fahrwerkskomponente, für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit mindestens zwei miteinander fest verbundenen Bauteilen, und einer mit einer Korrosionsschutzschicht beschichteten Oberfläche der Bauteilgruppe, wobei in einem Teilbereich der beschichteten Oberfläche ein Verstärkungselement derart aufgebracht ist, dass ein erster Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem ersten Bauteil gebildeten ersten Oberflächenbereich und ein zweiter Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem zweiten Bauteil gebildeten zweiten Oberflächenbereich angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die Bauteilgruppe gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens beziehungsweise der beschriebenen Bauteilgruppe kann also eine deutliche Materialeinsparung bei den eingesetzten Bauteilen erzielt werden, indem die Kombination mit dem Verstärkungselement aus Fasermaterial gezielt an ausgewählten Stellen aufgebracht werden kann. Zudem erlaubt das beschrieben Verfahren ein besonders einfaches Fügen des Verstärkungselements auf die Bauteilgruppe, insbesondere auch bei Materialkombinationen aus metallischen Bauteilen und dem Fasermaterial des Verstärkungselements. Insbesondere das gezielte, lokale Aufbringen des Verstärkungselements, beispielsweise entlang der Kraftflusspfade, bewirkt die Möglichkeit einer deutlichen Reduzierung von Klebstoffmengen oder Schweißpunkten zum Verbinden der einzelnen Bauteile. Dies ist insbesondere bei einer als Karosserie ausgebildeten Bauteilgruppe bedeutsam, sodass, sich ein hohes Leichtbaupotential ergibt. Zudem kann auf aufwendige und teure Werkzeuge zur Vorbereitung des faserverstärkten Verstärkungselements verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Beschreibung ,
- 2 eine erste Ausführungsform einer faserverstärkten Bauteilgruppe, und
- 3 eine zweite Ausführungsform einer faserverstärkten Bauteilgruppe.
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1 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Bauteilgruppe für ein Kraftfahrzeug. Die Bauteilgruppe kann beispielsweise als Karosseriekomponente, eine Karosserie oder eine Fahrwerkskomponente für ein Kraftfahrzeug ausgeführt sein. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- Schritt a.: Bereitstellen der Bauteilgruppe, wobei die Bauteilgruppe mindestens zwei miteinander fest verbundene Bauteile umfasst,
- Schritt b.: Beschichten einer Oberfläche der Bauteilgruppe mit einer Korrosionsschutzschicht,
- Schritt c.: Aufbringen eines Verstärkungselements aus Faserverbundmaterial mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei die Matrix einen nicht-ausgehärteten Zustand aufweist, und das Verstärkungselement derart auf zumindest einen Teilbereich der beschichteten Oberfläche der Bauteilgruppe aufgebracht wird, dass ein erster Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem ersten Bauteil der Bauteilgruppe gebildeten ersten Oberflächenbereich und ein zweiter Abschnitt des Verstärkungselements auf einem von einem zweiten Bauteil der Bauteilgruppe gebildeten zweiten Oberflächenbereich angeordnet sind.
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Zum Beispiel kann das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements einen Faser-Kunststoff-Verbund mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern umfassen, wobei die Verstärkungsfasern aus einer Gruppe umfassend Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunststofffasern, Metallfasern und/oder Naturfasern ausgewählt sind. Die Verstärkungsfasern können hierzu als Gewebe, Gelege, Geflecht, Gestrick, unidirektionale Tapes, Bänder oder Rovings ausgebildet sein.
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Zum Beispiel kann im Rahmen des Schritts a. ein festes Verbinden mindestens zweier Bauteile zum Bereitstellen der Bauteilgruppe vorgesehen werden. Insbesondere ein stoffschlüssiges, kraftschlüssiges und/oder formschlüssiges Verbinden, vorzugsweise mittels Kleben und/oder Schweißen, ist hierbei besonders geeignet.
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Der Schritt b. des Beschichtens kann beispielsweise als Beschichten der Oberfläche mit einer Kathodischen Tauchlackierung (KTL) erfolgen.
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Des Weiteren kann der Schritt b. des Beschichtens einen lediglich optionalen zusätzlichen Zwischenschritt b1. des zumindest teilweisen oder vollständigen Aushärtens der Korrosionsschutzschicht umfassen, welcher vor dem Schritt c. des Aufbringens des Verstärkungselements erfolgt. Wird dieser Zusatzschritt b1 nicht durchgeführt, erfolgt das folgende Aufbringen des Verstärkungselements auf eine nicht ausgehärtete Korrosionsschutzschicht.
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Vorzugsweise kann der Schritt c. des Aufbringens des Verstärkungselements ein direktes Ablegen des Verstärkungselements auf die Korrosionsschutzschicht umfassen. Außerdem kann der Schritt c. entweder ein gemeinsames Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern, zum Beispiel als Prepreg, oder ein separates Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern umfassen, wobei das separate Aufbringen in einer Anzahl von Teilschritten c1, c2,... erfolgt. Beispielsweise kann in einem ersten Teilschritt zunächst eine Matrix aufgebracht und anschließend die Verstärkungsfasern auf die Matrix aufgebracht werden. Entsprechend können anschließend weitere Lagen Matrix und/oder Verstärkungsfasern aufgebracht werden.
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Selbstverständlich können auch beim gemeinsamen Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern mehrere Lagen in aufeinanderfolgenden Teilschritten c1, c2, ... aufgebracht werden.
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Zum Beispiel kann der Schritt c. des Aufbringens des Verstärkungselements mit dem „Automated Fiber Placement“ (AFP) Verfahren, dem „Fiber Patch Placement“ (FPP) Verfahren, dem „Automated Tape Laying“ (ATL) Verfahren oder mittels Handlaminierens erfolgen. Vorzugsweise kann das Verstärkungselement entlang eines Kraftflusspfades auf die Bauteilgruppe aufgebracht werden.
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Ebenfalls optional kann im Anschluss an den Schritt c. ein Schritt d. des (gemeinsamen) Aushärtens von Verstärkungselement und Korrosionsschutzschicht vorgesehen sein. Wurde das Verstärkungselement auf eine nicht oder nur teilweise ausgehärtete Korrosionsschutzschicht aufgebracht, so wird ein gemeinsames Aushärten bewirkt. Wurde das Verstärkungselement dagegen auf eine bereits ausgehärtete Korrosionsschutzschicht aufgebracht, so härtet im Schritt d. lediglich das Verstärkungselement weiter aus.
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Des Weiteren kann optional in einem nachfolgenden Schritt e. ein Lack auf die verstärkte Bauteilgruppe aufgebracht und dieser getrocknet beziehungsweise ausgehärtet werden.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform einer faserverstärkten Bauteilgruppe 10. Diese kann beispielsweise als Karosseriekomponente oder Fahrwerkskomponente für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein und ist in 2 als Fahrzeugkarosserie 10 dargestellt. Diese umfasst mehrere fest miteinander verbundene Bauteile 11a-11h. Dargestellt sind als Bauteile 11a-11h ein Vorderrahmenwagen 11a und eine A-Säule 11b, sowie ein Dachspriegel 11h, und ein in Verlängerung zur A-Säule 11b angeordneter Dachseitenrahmen 11c, der an seinem hinteren Ende in eine C-Säule 11d übergeht. Die C-Säule 11d ist mit einem Kofferraumrahmen 11e verbunden. Zusätzlich ist der Dachseitenrahmen 11c mit einem oberen Ende einer B-Säule 11g verbunden, welche an einem unteren Ende an einem Seitenschweller 11f befestigt ist.
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Diese Bauteilgruppe 10 weist eine Oberfläche auf, die mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet ist. In Teilbereichen 12 der beschichteten Oberfläche sind jeweils Verstärkungselemente 13 aus Faserverbundmaterial aufgebracht, die bauteilübergreifend angeordnet sind. So ist ein erstes Verstärkungselement 13 mit einem ersten Abschnitt 13a auf einem von dem Vorderrahmenwagen 11a gebildeten ersten Oberflächenbereich angeordnet und mit einem zweiten Abschnitt 13b auf einem von der A-Säule 11b gebildeten zweiten Oberflächenbereich angeordnet. Ein weiterer, dritter Abschnitt 13c des Verstärkungselements 13 ist mit einem von dem Dachseitenrahmen 11c gebildeten Oberflächenbereich, ein vierter Abschnitt 13d des Verstärkungselements 13 mit einem von der C-Säule 11d gebildeten Oberflächenbereich und ein fünfter Abschnitt 13e des Verstärkungselements 13 mit einem von dem Kofferraumwagen 11e gebildeten Oberflächenbereich verbunden.
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Somit erstreckt sich das eine Verstärkungselement 13 nahezu über eine gesamte Fahrzeuglänge entlang einer Dachlinie und sorgt somit für eine besonders vorteilhafte lokale Verstärkung und Versteifung der ganzen Karosserie. In diesem Fall ist das Verstärkungselement 13 entlang eines bekannten Kraftflusspfades der Fahrzeugkarosserie angeordnet und verstärkt zudem die üblicherweise geklebten und/oder geschweißten gegenseitigen Verbindungen der einzelnen Bauteile. Diese können beispielsweise jeweils aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl und/oder Aluminium, aus einem Kunststoff und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Hierbei sind die einzelnen Bauteile insbesondere mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger und/oder formschlüssiger Verfahren miteinander verbunden, zum Beispiel mittels Kleben und/oder Schweißen.
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Das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements 13 umfasst einen Faser-Kunststoff-Verbund mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern (lediglich angedeutet), wobei die Verstärkungsfasern aus einer Gruppe umfassend Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunststofffasern, Metallfasern und/oder Naturfasern ausgewählt sein können. In der dargestellten Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern des ersten Verstärkungselements 13 als unidirektionale Tapes, Bänder oder Rovings ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Verstärkungsfaser des ersten Verstärkungselements 13 aber auch als Gewebe, Gelege, Geflecht oder Gestrick vorgesehen werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer faserverstärkten Bauteilgruppe 20. Diese stimmt im Wesentlichen mit der in 2 beschriebenen ersten Ausführungsform überein, so dass für identische oder gleichwirkende Bauteile und Komponenten auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied dazu weist die zweite Ausführungsform der faserverstärkten Bauteilgruppe 20 zusätzliche Verstärkungselemente 21,22 auf. So ist auf jeder Fahrzeugseite ein weiteres Verstärkungselement 21 vorgesehen, um eine Verbindung der A-Säule 11b beziehungsweise des Dachseitenrahmens 11c mit einem Dachspriegel 11h zu verstärken.
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Hierbei sind jeweils ein erster Abschnitt 21a dieser Verstärkungselemente 21 auf einem von der A-Säule 11b beziehungsweise dem Dachseitenrahmen 11c gebildeten ersten Oberflächenbereich und jeweils ein zweiter Abschnitt 21b dieser Verstärkungselemente 21 auf einem von dem Dachspriegel 11h gebildeten zweiten Oberflächenbereich angeordnet. Meist sind der Dachseitenrahmen 11c und die A-Säule 11b als einteiliges Bauteil ausgeführt. Grundsätzlich können diese aber auch als separate Bauteile hergestellt und fest miteinander verbunden sein. Entsprechend kann das dort vorgesehene Verstärkungselement 21 auf den drei zugehörigen Oberflächenbereichen 21a,21b aufgebracht sein.
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Jeweils ein weiteres Verstärkungselement 22 ist im Bereich der B-Säule 11g vorgesehen, um den Dachseitenrahmen 11c und die B-Säule 11g sowie die B-Säule 11g und einen Seitenschweller 11f miteinander zu verbinden. Entsprechend ist das Verstärkungselement 22 mit jeweils einem Abschnitt 22a,22b,22c auf den jeweiligen Oberflächenbereichen dieser genannten Bauteile aufgebracht. Selbstverständlich kann das Verstärkungselement 22 auch derart aufgeführt sein, dass ein Abschnitt 22a,22b des Verstärkungselements 22 auf dem Dachseitenrahmen 11c und der B-Säule 11g angeordnet ist. Eine Verbindung mit einem Oberflächenbereich der B-Säule 11g und dem Seitenschweller 11f kann in diesem Fall durch ein weiteres, separates Verstärkungselement erfolgen.
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Auch in der zweiten Ausführungsform können die einzelnen Verstärkungselemente 13,21,22 entlang eines Kraftflusspfades angeordnet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass deren Faserorientierungen entlang der Kraftflusspfade ausgerichtet sind. Zum Beispiel können aber auch an Knotenpunkten Verstärkungselemente 22 mit Verstärkungsfasern vorgesehen werden, die mehrdirektional, also als Gewebe, Gelege, Geflecht oder Gestrick angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058602 A1 [0004]
