DE19746164B4

DE19746164B4 - Materialverbund mit einem zumindest abschnittsweise hohlen Profil und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE19746164B4
Application number: DE1997146164
Authority: DE
Inventors: Axel Jonscher; Jürgen Dr. Hillmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-10-18
Filing date: 1997-10-18
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2017-10-19
Also published as: DE19746164A1

Abstract

Materialverbund aus einem zumindest abschnittsweise hohlen Profil, in dessen hohles Inneres ein schaumfähiges, beim Schäumen sein Volumen hochporös vergrößerndes Material eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material im wesentlichen aus Magnesium und/oder Magnesium-Legierungen mit schaumbildenden Bestandteilen besteht.

Description

Insbesondere bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserien finden verstärkt Werkstoffe und Werkstoffkombinationen Verwendung, die eine exakte Abstimmung der Werkstoffeigenschaften und Werkstoffanhäufungen in einem Bauteil in Abhängigkeit von Einsatzbedingungen und Einbauverhältnissen erlauben. Traditionell werden im Karosseriebau Bauteile aus Blechen oder dünnwandigen Profilen eingesetzt, die aus einer Vielzahl von einzelnen Teilen durch vorwiegend thermische Fügeverfahren die Karosserie eines Fahrzeuges bilden und beanspruchungsgerecht Material da vorsehen, wo die Belastungen hoch sind.
Die Forderung hinsichtlich des Gewichtes nach leichterer Bauweise der einzelnen Bauteile macht es erforderlich, die traditionell eingesetzten Werkstoffe wie den Stahl der Karosseriebleche und tragenden Bauteile gezielt durch andere Werkstoffe zu ersetzen. Dies ist jedoch nur in Grenzen möglich, da hinsichtlich des Preises der Werkstoffe der Stahl eine besonders günstige Festigkeit im Verhältnis zum benötigten Material und damit zu den Materialkosten aufweist. Daher werden auch Werkstücke eingesetzt, die aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden. Derartige Verbundwerkstücke kombinieren dabei im besten Fall die jeweiligen Vorteile der Verbundpartner und erlauben besonders leichte, gleichwohl aber hochfeste Bauteile.

Ein Ansatz zur gezielten Gewichtsreduzierung von Konstruktionsteilen an Karosserien ist die Verwendung von Aluminiumschäumen bzw. Schäumen aus Aluminiumlegierungen in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Hierbei wird gemäß einer ersten Herstellmöglichkeit Aluminiumschaum dadurch erzeugt, daß ein Aluminiumpulver mit einem bei höheren Temperauren sich zersetzenden und ausgasenden Pulver innig gemischt und das Gemisch zu Halbzeugen verpreßt wird. Nach der Applizierung des Halbzeuges beispielsweise auf Karosserieteile oder das Einbringen in Formwerkzeuge wird das Halbzeug und ggf. das Karosserieteil auf eine Temperatur knapp oberhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums und der Zersetzungstemperatur des schaumbildenden Pulvers gebracht. Dabei bildet das schaumbildende Pulver in der Aluminiumschmelze kleinste feinverteilte Gasbläschen, die die Aluminiumschmelze durchsetzen und sie in ihrem Volumen stark vergrößern ( DE 195 01 508 C1 ). Durch gezieltes Abkühlen der Schmelze kann dieser schaumförmige Zustand des Aluminiums eingefroren werden. Es bilden sich dabei insbesondere geschlossenzellige Strukturen, die im Verhältnis zum Materialgewicht relativ gute Isolations- und Steifigkeitseigenschaften aufweisen.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Aluminiumschäumen ist das Einblasen von Gasbläschen in eine Aluminiumschmelze zum Aufschäumen und anschließendes Abkühlen des so hergestellten Schaumes.

Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß der entstehende Aluminiumschaum prozeßbedingt variable Zellabmessungen aufweist, die zu Inhomogenitäten und/oder zu Anisotropien des Aluminiumschaumes führen können.

Anwendungen derartiger Materialien bei Kraftfahrzeug-Karosserieteilen sind in dem Artikel „Herstellung und Anwendungsmöglichkeiten von Bauteilen aus geschäumten Metallen" von John Banhart, Joachim Baumeister und Markus Weber, erschienen in der deutschen Zeitschrift ATZ/MTZ, Sonderausgabe „Werkstoffe im Automobilbau 97/98" auf S. 34 – 37 und in der deutschen Zeitung „VDI-Nachrichten" vom 25.7.1997 in dem Artikel „Aluminiumschaum ist leichter" für die Herstellung von Konstruktionsteilen wie Bodengruppen, Spritzwänden oder dgl. beschrieben; die in Formwerkzeugen zu ihrer Gebrauchsform aus vorgeformten Halbzeugen geschäumt werden. Desweiteren sind dort auch Anwendungen in Sandwichkonstruktionen beschrieben, bei denen der vorgeformte Leichtmetallschaum beispielsweise durch Plattieren oder Bekleben mit Blechteilen aus anderen oder denselben nichtgeschäumten Materialien zu einem Verbundwerkstoff modifiziert werden kann. Nachteilig an einer derartigen Vorgehensweise zum Einsatz von Aluminiumschäumen, ist vor allem, daß die Herstellung von Bauteilen aus Aluminiumschäumen spezielle Werkzeuge als Formen beim Schäumen benötigt. Bei der Verwendung in Sandwichkonstruktion ist bei den Aluminiumschäumen die Verbindung von Karosserieteil und Schaum problematisch.

In dem gattungsbildenden, oben angegebenen Zeitschriftenartikel von John Banhart, Joachim Baumeister und Markus Weber ist auf S. 36 – 37 auch der Einsatz vom Aluminiumschäumen zum Ausfüllen von Metallhohlprofilen beschrieben, mit dem das Knick- und Stauchverhalten sowie die Dämpfungseigenschaften der ausgeschäumten Metallhohlprofile verbessert werden soll. Hierbei werden die Metallhohlprofile großvolumig, meist sogar vollständig ausgeschäumt, um die benötigten Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen, wodurch insbesondere der Effekt der Gewichtsreduzierung durch den Aluminiumschaum teilweise wieder zunichte gemacht wird. Auch sind Aluminiumschäume sowohl hinsichtlich ihres spezifischen Gewichtes als auch bezüglich des Festigkeitsverhaltens und ihrer Verarbeitbarkeit nicht optimal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Materialverbund gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzuentwickeln, daß die beschriebenen Nachteile bekannter schaumfähiger Materialien vermieden werden.

Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich hinsichtlich des Materialverbundes aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich einer Verwendung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 8 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.

Die Lösung nach Anspruch 1 geht aus von einem Materialverbund aus einem zumindest abschnittsweise hohlen Profil, in dessen hohles Inneres ein schaumfähiges, beim Schäumen sein Volumen hochporös vergrößerndes Material eingebracht ist. Dieser Materialverbund wird dadurch weiterentwickelt, daß das schaumfähige Material im wesentlichen aus Magnesium und/oder Magnesium-Legierungen mit schaumbildenden Bestandteilen besteht.

Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen weisen wesentlich verbesserte Materialeigenschaften gegenüber Aluminium als bekanntem Ausgangsstoff für Metallschäume auf, so beispielsweise hinsichtlich Festigkeit und spezifischem Materialgewicht. Auch sind derartige Verbunde wesentlich leichter als Verbunde aus Aluminiumschäumen oder gar konventionell versteifte Konstruktionen.

In einer Weiterbildung wird ein derartiger Magnesiumschaum in Form eines sog. syntaktischen Magnesiumschaumes verwendet, der aus einer Magnesium oder Magnesiumlegierungen enthaltenden Matrix und darin eingelagerten dünnwandigen keramischen Hohlkugeln besteht. Derartige syntaktische Magnesiumlegierungen weisen allein schon aufgrund der keramischen Hohlkugeln eine hohe Porosität und daher geringes Materialgewicht auf, darüber hinaus bieten die keramischen Hohlkugeln einen Schutz für die Magnesiummatrix gegenüber Oxidation an den Grenzflächen der Hohlräume.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das schaumfähige Material nur in räumlich begrenzte Abschnitte des Hohlprofiles eingebracht. Hierdurch kann das Hohlprofil gezielt da ausgeschäumt werden, wo es hinsichtlich der geforderten Bauteileigenschaften notwendig ist. Gegenüber einer groß- oder sogar vollvolumigen Ausschäumung des Hohlprofiles kann eine deutliche Gewichtsreduzierung des Verbundes erreicht werden.

Bevorzugt kann das schaumfähige Material nur in im Einsatzfall mechanisch hoch belastete Abschnitte des Hohlprofiles eingebracht werden. Beispielsweise kann das Ausschäumen nur in solchen Bereichen des Hohlprofiles erfolgen, die beispielsweise einer großen Biege- oder Torsionsbelastung unterliegen oder z.B. bei Unfällen besonders hohe Sicherheitsreserven aufweisen müssen. Durch die Vergrößerung des die Belastungen tragenden Querschnittes durch das lokale Ausschäumen von Hohlprofilen z.B. an Stellen mit großen Biegebelastungen kann die gesamte Belastung des Verbundes entscheidend gesenkt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das schaumfähige Material das Hohlprofil nach dem Aufschäumen mechanisch versteift. Durch die Bildung der Hohlräume des Schaumes wird für sich schon eine Matrix gebildet, die bei nur geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist und daher im Zusammenwirken mit dem Hohlkörper eine zusätzliche Versteifung des Verbundes im Vergleich zur Steifigkeit seiner Bestandteile erreicht. Hierzu kann in einer Weiterbildung das schaumfähige Material die lokal auszuschäumenden Bereiche des Hohlprofiles nach dem Aufschäumen vollständig ausfüllen, um die Übertragung von Belastungsgrößen von den Wandungen des Hohlprofiles auf möglichst den ganzen ausgeschäumten Bereich des Hohlprofiles zu erlauben. Dadurch kann sich die Wandung des Hohlprofiles vollflächig an dem ausgeschäumten Bereich abstützen und der Schaum kann die Belastung gezielt mit abfangen.

Besonders vorteilhaft kann das schaumfähige Material eingesetzt werden, wenn es in dem Hohlprofil derart angeordnet ist, daß das schaumfähige Material eine Geräuschweiterleitung durch das Hohlprofil verhindert. Hierdurch kann beispielsweise die in hohlen Bauteilen häufig auftretende Geräuschweiterleitung innerhalb der Hohlkörper gezielt dadurch unterbunden werden, daß an bestimmten Stellen das geschäumte Material angeordnet wird und dadurch der gesamte Hohlraum in eine Anzahl von einzelnen, nicht mehr in direkter Verbindung stehenden Einzelhohlräume unterteilt wird. Hierdurch kann eine Verbesserung z.B. von Klappergeräuschen oder auch der Innenakustik von durch die Hohlprofile gebildeten Bauteilen durch Reduzierung bzw. Verkleinerung der Hohlräume erzielt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Materialverbundes gemäß Anspruch 1 im Fahrzeugbau, insbesondere im Karosseriebau.

Hierbei können in einer ersten Weiterbildung Knotenbereiche von Fahrzeugkarosserien, an denen verschiedene Hohlprofile zusammenstoßen oder sich durchdringen, mit dem schaumfähigen Material bereichsweise ausgefüllt sein. Gerade derartige Knotenbereiche, an denen einzelne Hohlprofile verschiedener Karosserieteile aufeinandertreffen oder sich durchdringen, unterliegen hohen Beanspruchungen. Daher werden in konventionell gefertigten Karosserien an derartigen Knotenbereichen Schottbleche und Verstärkungen vorgesehen, die die Anbindung der Knotenbereiche aneinander und die Übertragung der Belastungen verbessern. Daher ist zur Herstellung derartiger Knotenbereiche ein hoher Fertigungsaufwand notwendig, dazu kommt das hohe Gewicht zusätzlicher Verstärkungsbauteile. Durch das Ausschäumen mit schaumfähigen Materialien in derartigen Knotenbereichen entfallen diese zusätzlichen Verstärkungen, da die Verstärkungen durch Ausschäumen lokal und innenliegend der Knotenbereiche angeordnet werden können. Darüberhinaus sind keine Schweißarbeiten mehr erforderlich, auch sind keine grundsätzlichen Konstruktionsänderungen gegenüber der bekannten Ausbildung der Knotenbereiche nötig.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann das schaumfähige Material im Bereich der Hohlprofile der A- und/oder B- und/oder C- und/oder D-Säule eines Kraftfahrzeuges angeordnet sein. Diese Knotenbereiche unterliegen besonderen Belastungen und können auch im Hinblick auf den Fall einer Belastung bei einem Seitencrash gezielt durch Einbringen schaumfähiger Materialien verstärkt werden.

In einer anderen Weiterbildung kann das schaumfähige Material in Hohlprofilen im Bereich der Heckleuchteneinsätze angeordnet sein und dadurch die Ausbildung von Anbaustellen für die Heckleuchteneinsätze vereinfachen.

Weiterhin kann das schaumfähige Material auch in Hohlprofilen von Anbauteilen der Karosserie angeordnet sein, beispielsweise in Tür- oder sonstigen Deckelprofilen.

Gemäß einem geeigneten Verfahren zum Ausschäumen eines Hohlprofiles mit einem schaumfähigen Material nach Anspruch 1 kann das schaumfähige Material als Halbzeugformling in das hohle Innere des Hohlprofiles eingebracht und dort durch Aufschmelzen des schaumfähigen Materiales bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Materiales aufgeschäumt werden. Hierdurch kann durch entsprechende Vorformung des Halbzeugrohlings und seine maßliche Gestaltung dafür gesorgt werden, daß das Einbringen des Halbzeugformlings besonders einfach vor sich gehen kann und eine Fixierung oder besondere Positionierung in dem Hohlprofil nicht notwendig wird. Durch das Aufschäumen vergrößert sich das Volumen des Halbzeugformlings bevorzugt derart, daß er sich an die Innenwandungen des Hohlprofiles sicher anlegt und diese abstützt.

Gemäß einem weiteren Verfahren kann das schaumfähige Material auch pulverförmig und/oder stückig in das hohle Innere des Bauteiles eingebracht und gegebenenfalls lagefixiert werden und dort durch Aufschmelzen des schaumfähigen Materiales bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Materiales aufgeschäumt werden. Eine derartige Plazierung des schaumfähigen Material bietet sich immer dann an, wenn die Zugänglichkeit des Inneren des Hohlprofiles zum Einbringen eines Halbzeugformlings nicht besonders gut ist und gleichzeitig eine Lageveränderung des Pulvers bzw. der stückigen Mischung für die weitere Verarbeitung nicht zu befürchten oder sicher zu verhindern ist, das Pulver bzw. die stückige Mischung also Lage bzw. Anordnung nicht wesentlich ändern kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Materialverbundes zeigt die Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine Anordnung eines geschäumten Materiales im Knotenbereich einer Fahrzeugkarosserie im Durchdringungsbereich von Längsträger und einer Quersäule
2 eine Anordnung eines geschäumten Materiales im Bereich einer Heckleuchtenanordnung eines Kraftfahrzeuges
In der 1 ist für einen Anwendungsfall im Fahrzeugbau dargestellt, wie ein geschäumtes Material 1 im Durchdringungsbereich zweier Metallhohlprofile 2, 3 aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Magnesium angeordnet werden kann. Es handelt sich hierbei um einen Längsträger 2, beispielsweise den Dachträger einer Fahrzeugkarosserie, sowie um eine im Seitenbereich der Karosserie angeordnete Säule 3, beispielsweise die A- oder B-Säule. In diesem hoch belasteten Knotenbereich, in dem sich die Belastungen des Längsträgers 2 und der Säule 3 überlagern und einen mechanisch komplexen Belastungszustand des Knotenbereiches der Fahrzeugkarosserie hervorrufen, kann nun erfindungsgemäß statt der bekannten Versteifungen durch angeschweißte Schottbleche im Inneren der Hohlprofile 2, 3 eine schaumfähiges Material angeordnet und aufgeschäumt werden, wodurch der Knotenbereich gezielt und lokal ausgeschäumt wird. Hierdurch werden die den Knoten bildenden Bleche der Hohlprofile 2, 3 versteift und dadurch eine gewichtsmäßig durch den Schaum 1 sehr leichte Materialanhäufung eingebracht, die zur Übertragung der Belastungen beiträgt und damit den Knotenbereich als Ganzes verstärkt. Durch die nur lokale Verstärkung des Knotenbereiches wird die Gewichtserhöhung nur gering gehalten, durch das Entfallen der nach konventionellen Verstärkungsmethoden erforderlichen Knotenbleche tritt insgesamt eine deutliche Gewichtsreduzierung bei zumindest gleichbleibender Belastbarkeit ein. Darüber hinaus trägt eine derartige Verstärkung des Knotenbereiches zu einer Geräuschminderung von Karosserieeigengeräuschen und sonstigen Fahrzeuggeräuschen bei, da eine Schallübertragung durch die Hohlräume von Längstrager 2 auf Säule 3 oder umgekehrt behindert wird und sich daher Geräusche nicht mehr ungestört über den Knotenbereich hinweg weiter ausbreiten können.
In der 2 ist in einer anderen Anwendung im Fahrzeugkarosseriebau die Anordnung eines geschäumten Materials dargestellt, die aus der gezielten Versteifung eines Einbaubereiches 7 für Heckleuchten besteht. Hierbei wird in die Durchdringungsbereiche des C-Säulen-Hohlprofils 4, des Heckquerträgers 6 und des Eckverstärkungsprofils 5 jeweils ein Schaum 1 eingebracht, der pfropfenförmig die Eckbereiche verschließt und damit eine Versteifung des aus den Hohlprofilen 4, 5, 6 gebildeten Kastens bewirkt. Hierdurch ist dieser den Heckleuchten-Einbaubereich 7 definierende Kasten wesentlich maßstabiler und steifer ausgelegt, ohne daß zusätzliche Versteifungsbleche oder dgl. aufgeschweißt werden müßten.

1: Schaum
2: Längsträger
3: Säule
4: C-Säulen-Hohlprofil
5: Eckverstärkungsprofil
6: Heckquerträger
7: Heckleuchten-Einbaubereich

Claims

Materialverbund aus einem zumindest abschnittsweise hohlen Profil, in dessen hohles Inneres ein schaumfähiges, beim Schäumen sein Volumen hochporös vergrößerndes Material eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material im wesentlichen aus Magnesium und/oder Magnesium-Legierungen mit schaumbildenden Bestandteilen besteht.
Materialverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material aus Magnesium und/oder einer Magnesiumlegierung mit darin eingelagerten dünnwandigen keramischen Hohlkugeln besteht.
Materialverbund nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material nur in räumlich begrenzte Abschnitte des Hohlprofiles eingebracht ist.
Materialverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich begrenzten Abschnitte im Einsatzfall mechanisch hoch belastete Abschnitte des Hohlprofiles sind.
Materialverbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material das Hohlprofil nach dem Aufschäumen mechanisch versteift.
Materialverbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material die lokal auszuschäumenden Bereiche des Hohlprofiles nach dem Aufschäumen vollständig ausfüllt.
Materialverbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material in dem Hohlprofil eine Geräuschweiterleitung durch das Hohlprofil verhindert.
Verwendung eines Materialverbundes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im Fahrzeugbau, insbesondere im Karosseriebau.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Knotenbereiche von Fahrzeugkarosserien, an denen verschiedene Hohlprofile zusammenstoßen oder sich durchdringen, mit dem schaumfähigen Material bereichsweise ausgefüllt sind.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material im Bereich der Hohlprofile der A- und/oder B- und/oder C- und/oder D-Säule eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material in Hohlprofilen im Einbaubereich der Heckleuchteneinsätze angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das schaumfähige Material in Hohlprofilen von Anbauteilen, z. B. Türen oder Deckeln, der Karosserie angeordnet ist.