WO2013083842A1 - Hohlkörperbauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector.
- Hollow body components which are the subject of the invention compete with metallic components produced by hydroforming.
- hydroforming metal fittings are made to flow at very high pressure. This results in contour-accurate components that are characterized by an extremely high strength.
- hydroforming for example, energy-absorbing bumpers, window frames with integrated rollover protection or chassis components can be manufactured.
- compounds of the high-pressure injection are produced by means of hydroforming.
- a process for producing hollow body components by hydroforming is known from EP 1 609 545 A2.
- a hollow body made of a fiber-reinforced plastic which has a thin-walled core of light metal or plastic.
- Made of light metal or plastic core simplifies the shape of the fiber-reinforced plastic body and makes no contribution to its strength.
- the invention has for its object to reduce the weight of a formed by internal high pressure forming component while maintaining the good strength properties.
- the object of the invention and solution of this problem is a hollow body component according to claim 1.
- the hollow body component according to the invention consists of a composite material formed by internal high-pressure forming in a closed mold, which has a metallic inner layer formed from a metal blank by impressing a forming pressure and a fiber-reinforced outer layer compressed by internal high-pressure forming and compressed with the metal blank ,
- the subject matter of the invention is based on the idea of combining hydroforming with a resin injection process in order to be able to produce highly resilient hybrid components. By hydroforming complex geometries with free-form surfaces are represented.
- the outer layer consists of a thermosetting resin system, which cures during hydroforming.
- the outer layer By acting on the outer layer prior to curing pressure for forming the metal blank, the outer layer can be compacted by discharging excess resin and very high fiber volume contents in the outer layer can be realized. During the curing of the outer layer, a shrinkage process occurs, wherein the shrinkage of the material is greater than any elastic recovery of the metallic inner layer. This results in a solid bond between the metallic inner layer and the polymer outer layer compressed together with the metal blank.
- the hollow body component according to the invention is distinguished from conventional metallic components, which have been manufactured by hydroforming
- the inner layer of the hollow body component according to the invention can consist in particular of a non-alloyed or alloyed steel.
- the outer layer may comprise a polymer matrix of a polyester, vinyl ester, epoxy or phenolic resin.
- the outer layer has a textile material made of continuous fibers, in particular a textile tube made of continuous fibers as fiber reinforcement.
- fiber reinforcement tensile fibers come into consideration, which can be processed by textile technology.
- glass fibers, aramid fibers and carbon fibers are suitable.
- the invention also provides a method according to claim 7 for the production of the described hollow body component.
- Advantageous embodiments of the method are described in the dependent claims 8 to 1 2.
- the method according to the invention is on a metal blank having a conformed to the hollow body component basic shape with an inner surface and an outer surface, a coat of a thermosetting thermosetting resin system and embedded therein reinforcing fibers existing coat applied.
- the existing of the metal blank and the shell precursor is then converted in a closed form by a force acting on the inner surface of the metal blank forming pressure to the hollow body component.
- the hollow body component is formed on the one hand and at the same time the composite material between the fiber-reinforced outer layer and the metal
- thermosetting resin system is accompanied by a shrinkage of the material, wherein the material shrinkage is greater than any elastic recovery of the metallic inner layer.
- the described effects contribute to an improvement in the bond strength between the metallic part of the hollow body component and the fiber-reinforced outer layer. The effects are particularly effective when the forming pressure is reduced before the resin of the shell cures.
- a textile material produced from the reinforcing fibers in particular a textile tube knitted or woven from the reinforcing fibers, is applied to the metal blank.
- a textile tube is particularly advantageous if the metal blank consists of a tubular workpiece.
- thermosetting resin system into the cavity between the metal blank and the mold used for hydroforming.
- the sheath can be formed from reinforcing fibers coated with resin or a binder component of a two component reactive resin system.
- thermosetting resin system is injected into the mold, which fills the cavity between the mold and the workpiece and penetrates into the existing of the reinforcing fibers layer of the workpiece.
- the mold is equipped with a vent valve, through which excess matrix material can be forced out.
- the method according to the invention which combines hydroforming of metallic parts with a resin injection process for producing fiber-reinforced layers, it is possible to produce complex hybrid components which have weight advantages over conventional metallic components formed by hydroforming.
- the method can be used for example for the production of components for the automotive industry, which are characterized by high strength and can be used for safety-related applications.
- the invention is not limited to this field of application.
- the parts produced by the process according to the invention can be used wherever components are required, which are characterized by a low weight and high strength. Both the metallic inner layer and the fiber-reinforced polymeric outer layer make a significant contribution to the strength of the hollow body component according to the invention.
- the wall thickness of the metal blank can be reduced.
- the hydroforming can be carried out with a lower forming pressure, if one uses for comparison the forming pressure, which would be required for a metallic hollow body component of the same strength.
- the process according to the invention can be operated more simply and more economically than a conventional hydrofinishing process.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Hohlkörperbauteils.
Description
Hohl körperbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich.
Hohlkörperbauteile, die Gegenstand der Erfindung sind, treten in Konkurrenz zu metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung hergestellt werden. Bei der Innenhochdruckumformung werden Formstücke aus Metall unter sehr hohem Druck zum Fließen gebracht. Dabei entstehen konturgenaue Bauteile, die sich durch eine extrem hohe Festigkeit auszeichnen. Durch Innenhochdruckumformung können beispielsweise energieabsorbierende Stoßfän- ger, Fensterrahmen mit integriertem Überrollschutz oder Fahrwerkskomponen- ten gefertigt werden. In der modernen Motorentechnik werden beispielsweise auch Verbindungen der Hochdruckeinspritzung mit Hilfe der Innenhochdruckumformung produziert. Ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen durch Innenhochdruckumformung ist aus EP 1 609 545 A2 bekannt. Durch Verwendung mehrerer ineinander oder nebeneinander angeordneter Hohlprofile können dabei auch mehrschichtige Strukturen gefertigt werden. Aus GB 2 222 653 A ist ein Hohlkörper aus einem faserverstärktem Kunststoff bekannt, der einen dünnwandigen Kern aus Leichtmetall oder Kunststoff aufweist. Der aus Leichtmetall oder Kunststoff bestehende Kern vereinfacht die Formgebung des faserverstärkten Kunststoff körpers und leistet keinen Beitrag zu dessen Festigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gewicht eines durch Innen- hochdruckumformung gebildeten Bauteils unter Beibehaltung der guten Festigkeitseigenschaften zu reduzieren. Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Hohlkörperbauteil nach Anspruch 1 .
Das erfindungsgemäße Hohl körperbauteil besteht aus einem durch Innenhoch- druckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innen- hochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste poly- mere Außenschicht aufweist. Der erfindungsgemäße Gegenstand beruht auf der Überlegung, eine Innenhochdruckumformung mit einem Harzinjektionsver- fahren zu kombinieren, um hochbelastbare Hybridbauteile fertigen zu können. Durch das Innenhochdruckumformen sind komplexe Geometrien mit Freiformflächen darstellbar. Die Außenschicht besteht aus einem duromeren Harzsystem, welches während der Innenhochdruckumformung aushärtet. Durch den vor der Aushärtung auf die Außenschicht wirkenden Pressdruck zur Umformung des Metallrohlings kann die Außenschicht durch Austrag von überschüssigem Harz verdichtet werden und sind sehr hohe Faservolumengehalte in der Außenschicht realisierbar. Bei der Aushärtung der Außenschicht tritt ein Schrumpfungsprozess auf, wobei die Schwindung des Materials größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Es resul- tiert ein fester Verbund zwischen der metallischen Innenschicht und der mit dem Metallrohling zusammen verpressten polymeren Außenschicht. Das erfindungsgemäße Hohl körperbauteil zeichnet sich gegenüber konventionellen metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung gefertigt worden
sind, durch Gewichtsvorteile aus. Eine Gewichtsreduzierung um etwa 20 % bei gleicher Bauteilfestigkeit ist ohne Weiteres möglich.
Die Innenschicht des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils kann insbeson- dere aus einem unlegierten oder legierten Stahl bestehen. Die Außenschicht kann eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Außenschicht ein aus Endlosfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere einen aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch als Faserverstärkung auf. Als Faserverstärkung kommen zugfeste Fasern in Betracht, die textiltechnisch verarbeitet werden können. Insbesondere sind Glasfasern, Aramidfasern und Kohlenstofffasern geeignet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung des beschriebenen Hohlkörperbauteils. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den nachgeordneten Ansprüchen 8 bis 1 2 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einen Metallrohling, der eine an das Hohl körperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufge- bracht. Das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt wird danach in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohl körperbauteil umgeformt. Dabei wird das Hohl körperbauteil einerseits geformt und gleichzeitig wird der Materialverbund zwischen der faserverstärkten Außenschicht und der metal-
lischen Innenschicht des Verbundmaterials gebildet. Überschüssiges Harz wird durch den bei einer Innenhochdruckumformung auftretenden Pressdruck durch eine Entlüftungsöffnung der Form herausgedrückt. Nach dem Aushärten der Matrix kann das Hohlkörperbauteil entformt werden.
Die Aushärtung des duromeren Harzsystems geht einher mit einer Schrumpfung des Materials, wobei die Materialschwindung größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Die beschriebenen Effekte tragen zu einer Verbesserung der Verbundfestigkeit zwischen dem metallischen Teil des Hohlkörperbauteils und der faserverstärkten Außenschicht bei. Die Effekte sind besonders wirksam, wenn der Umformdruck reduziert wird, bevor das Harz des Mantels aushärtet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch, auf dem Metallrohling aufgebracht. Die Verwendung eines Textilschlauches ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Metallrohling aus einem rohrförmigen Werkstück besteht.
Es ergeben sich mehrere Möglichkeiten, um das duromere Harzsystem in die Kavität zwischen dem Metallrohling und die für eine Innenhochdruckumformung verwendete Form einzubringen. So kann der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt werden, die mit Harz oder einer Bindemittelkomponente eines zwei- komponentigen reaktiven Harzsystems beschichtet sind.
Eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und dass nach dem Schließen der Form
das duromere Harzsystem in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt. Die Form ist mit einem Entlüftungsventil ausgerüstet, durch das überschüssiges Matrixmaterial herausgedrückt werden kann.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine Innenhochdruckum- formung metallischer Teile mit einem Harzinjektionsverfahren zur Herstellung faserverstärkter Schichten kombiniert, lassen sich komplexe Hybridbauteile fertigen, die gegenüber konventionellen, durch Innenhochdruckumformung gebildeten metallischen Bauteile Gewichtsvorteile haben. Das Verfahren kann beispielsweise angewendet werden zur Herstellung von Bauteilen für die Fahrzeugindustrie, die sich durch hohe Festigkeit auszeichnen und für sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden können. Auf diesen Anwendungs- bereich ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile können überall dort eingesetzt werden, wo Bauteile gefordert werden, die sich durch ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit auszeichnen. Sowohl die metallische Innenschicht als auch die faserverstärkte polymere Außenschicht leisten einen wesentlichen Beitrag zur Festigkeit des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils. Durch den Festigkeitsbeitrag der faserverstärkten polymeren Außenschicht kann die Wandstärke des Metallrohlings reduziert werden. Infolge einer geringeren Wandstärke des Metallrohl ings kann die Innenhochdruckumformung mit einem geringeren Umformdruck durchgeführt werden, wenn man zum Vergleich den Umformdruck heranzieht, der für ein metallisches Hohl körperbauteil gleicher Festigkeit benötigt würde. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren einfacher und wirtschaftlicher betrieben werden als eine konventionelle Innenhoch-
druckformung metallischer Bauteile. Dies erschließt mögliche neue Anwendungsbereiche, z. B. die Herstellung von Fahrradkomponenten.
Claims
1 . Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist.
2. Hohl körperbauteil nach Anspruch 1 , wobei die Innenschicht aus unlegiertem oder legiertem Stahl besteht.
3. Hohl körperbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenschicht eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweist.
4. Hohl körperbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Außenschicht ein aus Endlosfasern gebildetes textiles Material als Faserverstärkung aufweist.
5. Hohlkörperbauteil nach Anspruch 4, wobei die Faserverstärkung aus einem aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch besteht.
6. Hohl körperbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faserverstärkung von zugfesten Fasern, insbesondere Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern, gebildet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei auf einen Metallrohling, der eine an das Hohl körperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht wird, wobei das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohl körperbauteil umgeformt wird und wobei das Hohlkörperbauteil erst nach der Aushärtung des duromeren Harzes entformt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Umformdruck reduziert wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material auf dem Metallrohling aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch auf den Metallrohling aufgebracht wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt wird, die mit Gießharz oder einer Bindemittel kompo- nente eines zweikomponentigen reaktiven Gießharzsystems beschichtet sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und wobei nach dem Schließen der Form flüssiges Gießharz in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück
ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt.
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