-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug sowie eine entsprechende Karosseriekomponente.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Derartige Verfahren erfordern also eine umfassende Vorbereitung, beispielsweise 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.
-
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Bauteilgruppe ist in der bisher unveröffentlichten Patentanmeldung
DE 102017219980.6 der Anmelderin beschrieben.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Karosserie für ein Fahrzeug bereitzustellen, welche eine möglichst hohe Steifigkeit aufweist, wobei deren Herstellung dennoch möglichst einfach und kostengünstig erfolgen soll. Insbesondere soll ein Verfahrensablauf zur Herstellung vereinfacht und ein Einsatz an teurem Fasermaterial und kostenintensivem Werkzeug möglichst gering gehalten werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Karosseriekomponente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
-
Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, wobei die Karosseriekomponente mindestens eine Öffnung, insbesondere eine Türöffnung oder eine Fensteröffnung, aufweist, mit mindestens den folgenden Schritten:
- a. Bereitstellen der Karosseriekomponente,
- b. Aufbringen eines Verstärkungselements aus Faserverbundmaterial mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern zum Versteifen der Karosseriekomponente, wobei die Matrix einen nicht-ausgehärteten Zustand aufweist, und das Verstärkungselement auf einem von der Karosseriekomponente gebildeten Öffnungsrahmen der Öffnung aufgebracht wird.
-
Die Karosseriekomponente kann beispielsweise einstückig hergestellt oder aus mehreren einzelnen Bauteilen zusammensetzt sein, welche fest, insbesondere starr, miteinander verbunden sind. Selbstverständlich kann die Karosseriekomponente allein eine Karosserie des Fahrzeuges bilden oder gemeinsam mit einem oder mehreren weiteren Karosseriekomponenten. Zum Beispiel ist das Fahrzeug als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen ausgebildet.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist die Karosseriekomponente nicht beschichtet, und weißt dementsprechend keine zusätzliche auf ein Struktrumaterial der Karosseriekomponente aufgebrachte Beschichtung auf. Demensprechend erfolgt das Aufbringen des Verstärkungselements unmittelbar auf einem von der unbeschichteten Karosseriekomponente gebildeten Öffnungsrahmen der Öffnung.
-
Des Weiteren kann das Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt umfassen:
- - Beschichten einer Oberfläche der Karosseriekomponente mit einer Korrosionsschutzschicht.
-
Hierbei wird die Karosseriekomponente mit der Korrosionsschicht beschichtet, um eine Oberflächenkorrosion zu vermeiden.
-
Dieser zusätzliche Schritt erfolgt entweder zeitlich nachfolgend zu dem beschriebenen Aufbringen des Verstärkungselements auf die unbeschichtete Karosseriekom ponente.
-
Alternativ kann gemäß einer anderen Ausführungsform der zusätzliche Schritt des Beschichtens der Oberfläche der Karosseriekomponente mit einer Korrosionsschutzschicht nachfolgend zu dem Schritt des Bereitstellens der Karosseriekomponente und vor dem Aufbringen des Verstärkungselements erfolgen. Dementsprechend wird das Verstärkungselement auf einem von der beschichteten Karosseriekomponente gebildeten Öffnungsrahmen der Öffnung aufgebracht. Es wird also in diesem Fall das Verstärkungselement auf die mit der Korrosionsschutzschicht beschichtete Karosseriekomponente aufgebracht. Dies bedeutet mit anderen Worten beschrieben, dass das Verstärkungselement auf die beschichtete Oberfläche der Karosseriekomponente abgelegt wird.
-
In jedem Fall gilt selbstverständlich, dass mehr als nur ein Verstärkungselement auf diese Weise auf die Karosseriekomponente aufgebracht werden oder das Verstärkungselement aus mehreren nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Teilelementen bestehen kann.
-
Das Aufbringen des Verstärkungselements erfolgt in jeder der beschriebenen Ausführungsformen 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 gebracht worden sein. 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.
-
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.
-
Jedenfalls umfasst das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements einen Faser-Kunststoff-Verbund mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern, 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.
-
In jedem Fall wird das Verstärkungselement auf dem Öffnungsrahmen aufgebracht. Der Öffnungsrahmen ist somit ein Abschnitt der Karosseriekomponente und umschließt die in der Karosseriekomponente vorgesehene Öffnung. Der Öffnungsrahmen kann beispielsweise ein Türrahmen oder ein Fensterrahmen sein.
-
Zum Beispiel kann der Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements ein lediglich abschnittsweises oder ein um die Öffnung umlaufendes Aufbringen des Verstärkungselements auf den Öffnungsrahmen umfassen. Dementsprechend ist das Verstärkungselement entweder lediglich lokal in einem Abschnitt des Öffnungsrahmens angeordnet oder ist entlang des Öffnungsrahmens umlaufend um die Öffnung angeordnet. In jedem Fall stellt das Verstärkungselement eine verstärkende beziehungsweise versteifende und zugleich lasttragende Schicht dar, welche sich unauffällig und platzsparend an der Karosseriekomponente integrieren lässt. Von der Wirkungsweise ist das Verstärkungselement, insbesondere im Falle einer umlaufenden Anordnung, an die Wirkungsweise eines „Überrollkäfigs“ aus dem Motorsportbereich angelehnt.
-
Im Falle einer umlaufenden Anordnung bildet das Verstärkungselement eine in sich geschlossene, umlaufende Struktur, die eine besonders wirkungsvolle Verstärkung für die Karosseriekomponente darstellt und eine nochmals deutlich gesteigerte Gesamtsteifigkeit der Karosseriekomponente ermöglicht.
-
Zum Beispiel kann der Schritt des Aufbringens ein Aufbringen des Verstärkungselements auf eine der Öffnung zugewandte Innenseite des Öffnungsrahmens und/oder auf eine fahrzeugäußere und/oder fahrzeuginnenseitige Stirnfläche des Öffnungsrahmens umfassen. Als Innenseite des Öffnungsrahmens ist insbesondere eine „Zarge“ des Öffnungsrahmens zu verstehen, also im Falle eines Türrahmens eine Tür-Zarge beziehungsweise im Falle eines Fensterrahmens eine Fenster-Zarge. In jedem Fall handelt es sich hierbei um diejenige Oberfläche des Öffnungsrahmens, welche der Öffnung zugewandt ist und diese entsprechend umrandet beziehungsweise umrahmt.
-
Die genannten Stirnflächen, also die fahrzeugaußenseitige und die fahrzeuginnenseitige Stirnfläche, werden entsprechend durch die zu den entsprechenden Seiten an die Innenseite anschließenden Stirnflächen gebildet. Aufgrund geometrischer Ausgestaltungen, können sowohl die Innenseite als auch die Stirnseiten mehrstufig ausgeführt sein.
-
Gegenüber herkömmlichen lokalen Verstärkungen einzelner Bauteile, die lediglich lokal bauteilverstärkend wirken und dementsprechend auf das jeweilige, einzelne Bauteil beschränkt sind, kann auf diese Weise zusätzlich zu der lokalen Verstärkung außerdem eine Versteifung der gesamten Karosseriekomponente bewirkt werden. Entsprechend eignet sich die Karosseriekomponente entsprechend für höhere Belastungen oder es können geringere Lastanforderungen an die Karosseriekomponente gestellt werden, wodurch ein Bauteilgewicht entsprechend reduziert werden kann.
-
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 Karosseriekomponente. Ein vorgelagerter Fertigungsprozess zum Vorformen kann demnach entfallen. Entsprechend kann auf teure Vorformwerkzeuge verzichtet und ein Fügeprozess deutlich vereinfacht werden.
-
Aufgrund der lokalen Verstärkung und Versteifung der Karosseriekomponente 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.
-
Zum Beispiel kann der optionale Schritt des Beschichtens einer Oberfläche der Karosseriekomponente mit der Korrosionsschutzschicht ein Beschichten der Oberfläche mit einer Kathodischen Tauchlackierung (KTL) umfassen. Hierbei kann die Karosseriekomponente in einem noch nicht beschichteten Zustand in ein entsprechendes Tauchbad getaucht werden. Dies eignet sich insbesondere für größere Karosseriekomponenten einschließlich einer als ganze Fahrzeugkarosserie ausgeführte Karosseriekomponente.
-
Wird der Schritt des Beschichtens vor dem Aufbringen des Verstärkungselements durchgeführt, so ist es möglich, dass der Schritt des Beschichtens ein zumindest teilweises oder vollständiges Aushärten der Korrosionsschutzschicht umfasst, welcher ebenfalls 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 Karosseriekomponente aufgebracht werden.
-
Alternativ hierzu oder zusätzlich kann nachfolgend zu dem Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements, welcher nach dem Beschichten der Oberfläche der Karosseriekomponente 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.
-
Vorzugsweise kann der voranstehend zu den jeweiligen Ausführungsformen beschriebene Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements ein direktes Ablegen des Verstärkungselements (abhängig von der jeweiligen Ausführungsform) auf die unbeschichtete Karosseriekomponente oder die zuvor auf die Karosseriekomponente aufgebrachte Korrosionsschutzschicht umfassen. Dies bedeutet, dass das Verstärkungselement entweder unmittelbar auf der Karosseriekomponente oder unmittelbar auf der Korrosionsschutzschicht der Karosseriekomponente abgelegt und mit dieser verbunden wird. Dies kann in jedem Fall beispielsweise durch Verkleben erfolgen, wobei als Klebstoff entweder die in dem Faserverbundmaterial enthaltene Matrix oder ein separater Klebstoff eingesetzt wird.
-
Wird die Matrix zur Verbindung des Verstärkungselements mit der Karosseriekomponente beziehungsweise der Korrosionsschutzschicht eingesetzt, so wirkt diese aufgrund ihres nicht-ausgehärteten, also flüssigen oder zähflüssigen Zustands ebenfalls anhaftend und stellt nach einer Aushärtung (abhängig von der jeweiligen Ausführungsform) eine zuverlässige und haltbare Verbindung zu der Karosseriekomponente beziehungsweise der Korrosionsschutzschicht her. Bildet dagegen der Klebstoff eine Verbindungsschicht zwischen dem Verstärkungselement beziehungsweise der Matrix und der Karosseriekomponente beziehungsweise der Korrosionsschutzschicht, so ist auch diese Anordnung im Rahmen dieser Beschreibung trotz der Verbindungsschicht als „direkte“ Verbindung der zu verbindenden Elemente zu verstehen.
-
In jedem Fall wird auf diese Weise eine vorgelagerte Herstellung einer Vorform vermieden, welche ansonsten in zusätzlichen Prozessschritten vorbereitet und anschließend mit der Karosseriekomponente 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.
-
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 beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden.
-
Soll die Karosseriekomponente einer zusätzlichen 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 Karosseriekomponente einer (weiteren) Wärmebehandlung unterzogen werden, um sowohl den Lack als auch das Verstärkungselement sowie gegebenenfalls die Korrosionsschutzschicht gemeinsam weiter auszuhärten.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In beiden Fällen können zur Erzeugung eines mehrlagigen Aufbaus vorzugsweise die einzelnen Lagen nacheinander auf die Karosseriekomponente aufgebracht werden. Also wird in einem ersten Schritt eine erste Lage des Verstärkungselements (abhängig von der jeweiligen Ausführungsform) unmittelbar entweder auf die unbeschichtete Karosseriekomponente oder andernfalls unmittelbar auf die mit der Korrosionsschutzschicht beschichtete Oberfläche der Karosseriekomponente 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.
-
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.
-
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. Zum Beispiel kann eine Faserausrichtung in einer Umfangsrichtung der Öffnung, also umlaufend um die Öffnung entlang des Öffnungsrahmens, ausgerichtet sein.
-
Außerdem kann der Schritt des Bereitstellens der Karosseriekomponente 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.
-
Zum Beispiel kann das Verstärkungselement mit jeweils einem Abschnitt auf einem jeweiligen Oberflächenabschnitt der folgenden Bauteile des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, welche die jeweilige Öffnung umgeben und den zugehörigen Öffnungsrahmen bilden, und diese somit in verschiedenen Kombinationen miteinander verbinden: eine A-Säule, einen Dachseitenrahmen, eine B-Säule, eine C-Säule, und/oder einen Seitenschweller.
-
Auf diese Weise ist es möglich im Bedarfsfall eine Verstärkung beispielsweise einer Türöffnung einer Fahrzeugkarosserie bereitzustellen, indem das Verstärkungselement auf einer jeweiligen Oberfläche der A-Säule, des Dachseitenrahmens, der B-Säule und des Seitenschwellers aufgebracht wird. Zur Verstärkung einer Türöffnung einer Fond-Türöffnung ist das entsprechende Verstärkungselement beispielsweise auf den jeweiligen Oberflächen der B-Säule, des Dachseitenrahmens, der C-Säule und des Seitenschwellers aufgebracht. Selbstverständlich können auch andere Öffnungen, wie beispielsweise Fensteröffnungen oder andere Türöffnungen auf diese Weise verstärkt werden.
-
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.
-
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.
-
Außerdem kann zumindest eines der Bauteile der Karosseriekomponente aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl und/oder Aluminium, oder aus einem Kunststoff und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Entsprechend sind also Karosseriekomponenten mit Bauteilen möglich, die alle einheitlich aus einem der genannten Materialien gefertigt sind, oder aber die Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen fertigt sind.
-
Des Weiteren wird eine faserverstärkte Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit mindestens einer Öffnung, insbesondere einer Türöffnung oder einer Fensteröffnung, wobei auf einem von der Karosseriekomponente gebildeten Öffnungsrahmen der Öffnung ein Verstärkungselement aus Faserverbundmaterial aufgebracht ist.
-
Vorzugsweise ist die Karosseriekomponente gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellt.
-
Hierbei kann das Verstärkungselement auf einem unbeschichteten Oberflächenabschnitt der Karosseriekomponente aufgebracht sein. Alternativ kann das Verstärkungselement auf einer mit der Korrosionsschutzschicht beschichteten Oberfläche aufgebracht sein.
-
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens beziehungsweise der beschriebenen Karosseriekomponente kann eine deutliche Steifigkeitserhöhung erzielt werden. Dies ermöglicht entweder eine Erhöhung der Gesamtsteifigkeit der Karosseriekomponente oder einer Fahrzeugkarosserie im Hinblick auf besondere Anforderungen. So kann mit dem beschriebenen Verfahren eine Art „Überrollkäfig“ unauffällig und insbesondere platzsparend vorgesehen werden, sodass auch eine Art „Überrollkäfig“ im Sinne einer „Sicherheitszelle“ realisiert werden kann. Dies eignet sich nicht nur für Motorsportanwendungen sondern beispielsweise auch für Fahrzeugderivate, die eine Steifigkeitsanpassung erfordern. Auf aufwendige und platzraubende Konstruktionen im Fahrzeuginnenraum kann entsprechend verzichtet werden. Ebenso kann die verbesserte Steifigkeit aber auch zur Einsparung von Material der Karosseriekomponente und damit zu einem verbesserten Leichtbau genutzt werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1: ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Beschreibung, und
- 2: eine faserverstärkte Karosseriekomponente gemäß der Beschreibung.
-
1 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug, wobei die Karosseriekomponente mindestens eine Öffnung, insbesondere eine Türöffnung oder eine Fensteröffnung, aufweist. Das Verfahren umfasst gemäß der dargestellten Ausführungsform die folgenden Schritte:
- Schritt a.: Bereitstellen der Karosseriekomponente,
- Schritt b.: Beschichten einer Oberfläche der Karosseriekomponente mit einer Korrosionsschutzschicht (optionaler Schritt),
- Schritt c.: Aufbringen eines Verstärkungselements aus Faserverbundmaterial mit in einer Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei die Matrix einen nicht-ausgehärteten Zustand aufweist, und das Verstärkungselement auf einem von der (beschichteten) Karosseriekomponente gebildeten Öffnungsrahmen der Öffnung aufgebracht wird.
-
Hierbei ist der Schritt b lediglich optional zu verstehen. Es kann ebenso der Schritt b des Beschichtens an dieser Stelle entfallen und das Verstärkungselement auf eine unbeschichtete Karosseriekomponente aufgebracht werden.
-
In jedem Fall ist es möglich, dass der Schritt des Aufbringens des Verstärkungselements ein lediglich abschnittsweises oder ein um die Öffnung umlaufendes Aufbringen des Verstärkungselements auf den Öffnungsrahmen umfasst.
-
Außerdem kann der Schritt des Aufbringens ein Aufbringen des Verstärkungselements auf eine der Öffnung zugewandte Innenseite des Öffnungsrahmens und/oder auf eine fahrzeugäußere und/oder fahrzeuginnenseitige Stirnfläche des Öffnungsrahmens umfassen.
-
Vorzugsweise 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.
-
Der optionale Schritt b. des Beschichtens kann beispielsweise als Beschichten der Oberfläche mit einer Kathodischen Tauchlackierung (KTL) erfolgen. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann dieser statt vor dem Aufbringen des Verstärkungselements zeitlich nachfolgend zu diesem erfolgen.
-
Des Weiteren kann der optionale Schritt b. des Beschichtens einen hierzu ebenfalls 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.
-
Vorzugsweise kann der Schritt c. des Aufbringens des Verstärkungselements ein direktes Ablegen des Verstärkungselements auf die Korrosionsschutzschicht umfassen. Ist der optionale Schritt b. nicht vorgesehen, so kann im Rahmen des Schritts c. das Ablegen dagegen unmittelbar auf die unbeschichtete Karosseriekomponente erfolgen.
-
Jedenfalls kann zum Beispiel 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.
-
Selbstverständlich können auch beim gemeinsamen Aufbringen von Matrix und Verstärkungsfasern mehrere Lagen in aufeinanderfolgenden Teilschritten c1, c2, ... aufgebracht werden.
-
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 Karosseriekomponente aufgebracht werden.
-
Ebenfalls optional kann gemäß der dargestellten Ausführungsform 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.
-
Des Weiteren kann optional in einem nachfolgenden Schritt e. ein Lack auf die verstärkte Karosseriekomponente aufgebracht und dieser getrocknet beziehungsweise ausgehärtet werden.
-
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer faserverstärkten Karosseriekomponente 10. Diese kann beispielsweise Teil einer Fahrzeugkarosserie oder aber, wie in 2 dargestellt, als Fahrzeugkarosserie 10 ausgebildet sein. 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.
-
Diese Karosseriekomponente 10 weist eine Oberfläche auf, die optional mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet ist. Zudem weist die faserverstärkte Karosseriekomponente 10 mehrere Öffnungen 14a-14f in Form von vier Türöffnungen 14a-d oder mehreren Fensteröffnungen 14e,14f auf, wobei jeweils auf einem von der Karosseriekomponente 10 gebildeten Öffnungsrahmen 15a-15d der jeweiligen Türöffnung 14a-14d ein Verstärkungselement 13 (grau markiert) aus Faserverbundmaterial aufgebracht ist. Dieses ist jeweils umlaufend auf dem jeweiligen Öffnungsrahmen 15a-15d aufgebracht. Insbesondere sind die Verstärkungselemente 13 auf einer der jeweiligen Öffnung zugewandten Innenseite des Öffnungsrahmens 15a-15d angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das jeweilige Verstärkungselement 13 auf einer fahrzeugäußeren und/oder fahrzeuginnenseitigen Stirnfläche des Öffnungsrahmens 15a-15d vorgesehen werden.
-
Das jeweilige Verstärkungselement 13 aus Faserverbundmaterial ist somit bauteilübergreifend angeordnet. So ist ein erstes Verstärkungselement 13 auf einer jeweils die Innenseite des Öffnungsrahmens zumindest abschnittsweise bildenden Oberfläche der A-Säule 11b, des Dachseitenrahmens 11c der B-Säule 11g und des Seitenschwellers 11f angeordnet. Für die Fond-Türöffnung ist das entsprechende Verstärkungselement 13 auf einer jeweils die Innenseite des Öffnungsrahmens zumindest abschnittsweise bildenden Oberfläche auf der B-Säule 11g, des Dachseitenrahmens 11c, der C-Säule 11d und des Seitenschwellers 11f aufgebracht.
-
Somit erstreckt sich das jeweilige Verstärkungselement 13 umlaufend entlang einer vollständigen Innenseite der jeweiligen Türöffnung 14a-14d und sorgt somit für eine besonders vorteilhafte Verstärkung und Versteifung der ganzen Karosserie.
-
Das Faserverbundmaterial des jeweiligen 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. Zum Beispiel können die Verstärkungsfasern des ersten Verstärkungselements 13 als unidirektionale Tapes, Bänder oder Rovings ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Verstärkungsfaser des ersten Verstärkungselements 13 aber auch als Gewebe, Gelege, Geflecht oder Gestrick vorgesehen werden.
-
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 102006058602 A1 [0004]
- DE 102017219980 [0006]
