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Dokumentenidentifikation DE102005051697A1 10.05.2007
Titel Strukturbauteil aus Kunststoff
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Reese, Eckhard, Dipl.-Ing. (FH), 21641 Apensen, DE
DE-Anmeldedatum 28.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051697
Offenlegungstag 10.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse B29C 70/70(2006.01)A, F, I, 20051028, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29C 45/14(2006.01)A, L, I, 20051028, B, H, DE   B29C 39/10(2006.01)A, L, I, 20051028, B, H, DE   B62D 29/04(2006.01)A, L, I, 20051028, B, H, DE   B62D 25/00(2006.01)A, L, I, 20051028, B, H, DE   
Zusammenfassung Bauteile aus Kunststoff werden im Allgemeinen in einem Gießprozess hergestellt. Die Kunststoffmasse wird dabei in eine Form eingebracht und anschließend ausgehärtet. Das Verfahren des Spritzgießens ist diesbezüglich verbreitet, da aufgrund des hohen Druckes, mit dem der Kunststoff in die Form gepresst wird, eine große Bandbreite an Formen und Geometrien realisiert werden kann und die Zykluszeiten für die Herstellung eines Bauteils sehr klein sind. Gerade zur Umsetzung des Leichtbaugedankens beispielsweise in Kraftfahrzeugen bieten Bauteile aus Kunststoff, z. B. als Struktur- oder Anbauteile, ein sehr hohes Potenzial.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strukturbestandteil aus Kunststoff anzugeben, das insbesondere die für Strukturteile erforderlichen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften aufweist und auch crashrelevante Anforderungen an Strukturteile, insbesondere Deformationsvermögen und Energieaufnahmevermögen, erfüllt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Strukturbauteil als Grundmatrix einen Kunststoff aufweist, wobei in die Kunststoffmatrix ein Versteifungselement einliegt, das formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Kunststoffmatrix verbunden ist, und wobei die Anbindung des Versteifungselements an die Kunststoffmatrix mittels eines Haftvermittlers erfolgt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aus Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bauteile aus Kunststoff werden im Allgemeinen in einem Gießprozess hergestellt. Die Kunststoffmasse wird dabei in eine Form eingebracht und anschließend ausgehärtet. Das Verfahren des Spritzgießens ist diesbezüglich verbreitet, da aufgrund des hohen Druckes, mit dem der Kunststoff in die Form gepresst wird, eine große Bandbreite an Formen und Geometrien realisiert werden kann und die Zykluszeiten für die Herstellung eines Bauteils sehr klein sind. Gerade zur Umsetzung des Leichtbaugedankens beispielsweise in Kraftfahrzeugen bieten Bauteile aus Kunststoff, z.B. als Struktur- oder Anbauteile, ein sehr hohes Potenzial.

Aus der EP 0 303 012 B1 ist ein Formkörper, insbesondere ein Heckspoiler, bekannt, der aus einem zweiteiligen, geschäumten Kunststoffverbund und mindestens einem verstärkenden Rohr in der Mitte des Formteils aufgebaut ist. Nachteilig dabei ist, dass der geschäumte Kunststoffverbund aufgrund seiner Materialeigenschaften nicht für Strukturbauteile, insbesondere für crashrelevante Strukturbauteile, geeignete ist und die Anbindung des Verstärkungsrohres an den Kunststoff für crashrelevante Strukturbauteile nicht ausreicht.

Die Aufgabe, die sich aus den zuvor genannten Problemen ableitet, ist, ein Strukturbauteil aus Kunststoff anzugeben, das insbesondere die für Strukturbauteile erforderlichen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften aufweist und auch crashrelevante Anforderungen an Strukturbauteile, insbesondere Deformationsvermögen und Energieaufnahmevermögen, erfüllt.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Strukturbauteil durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche 2 bis 8 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Strukturbauteils.

Die Aufgabe hinsichtlich des zu schaffenden Strukturbauteils wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Strukturbauteil als Grundmatrix einen Kunststoff aufweist, wobei in der Kunststoffmatrix mindestens ein Versteifungselement einliegt, das formschlüssig mit der Kunststoffmatrix verbunden ist, und wobei die Anbindung des Versteifungselements an die Kunststoffmatrix mittels eines Haftvermittlers, insbesondere Primers, erfolgt.

Alternativ oder additiv zur formschlüssigen Verbindung eines Versteifungselements mit der Kunststoffmatrix ist ebenso eine kraftschlüssige Verbindung eines Versteifungselements mit der Kunststoffmatrix eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe hinsichtlich des zu schaffenden Strukturbauteils, wobei die Anbindung des Versteifungselements an die Kunststoffmatrix mittels eines Haftvermittlers, insbesondere Primers, erfolgt.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils liegt darin, dass die Festigkeit der formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Anbindung eines Versteifungselements an die Kunststoffmatrix durch einen Haftvermittler z.B. auf wässriger oder lösemittelhaltiger Basis, erheblich gesteigert wird und das Strukturbauteil dadurch eine wesentlich höhere Bauteilfestigkeit und Bauteilsteifigkeit erreicht. Somit wird das Verhalten im Versagensfall erheblich verbessert, dadurch dass das Strukturbauteil vor dem Versagen, z.B. durch Bruch, beispielsweise mehr Energie absorbiert und deutlich später versagt als ein Kunststoffbauteil mit einem Versteifungselement, bei dem kein Haftvermittler zwischen Versteifungselement und Kunststoffmatrix verwendet wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Haftvermittler, der auf ein Versteifungselement aus Metall aufgebracht wird, zusätzlich zur verbesserten Anbindung an die Kunststoffmatrix noch als Korrosionschutzbeschichtung für das Versteifungselement dient.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils, weist die Kunststoffmatrix Thermoplaste und/oder Duroplaste, insbesondere die Kunststoffe Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA) auf, da sie besonders gute Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften für Strukturteile aufweisen und ein gutes Crashverhalten, insbesondere Verformungsvermögen, Bruchzähigkeit und Energieaufnahme, zeigen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weist die Kunststoffmatrix weitere festigkeitssteigernde Füllstoffe wie z.B. Metallpulver, Carbonfasern oder Glasfasern auf, insbesondere Kurzglasfasern mit einer im fertigen Strukturbauteil verbleibenden Faserlänge von 0,2mm bis 0,5mm und/oder Langglasfasern mit einer im fertigen Strukturbauteil verbleibenden Faserlänge von mehr als 1mm von z.B. 40%–70% Volumenanteil. Alternativ können auch festigkeitssteigernde Naturfasern, z.B. Abaca, zum Einsatz kommen.

Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt in einer weiteren Steigerung der mechanischen Festigkeit und somit der Crasheigenschaften des Strukturbauteils, dadurch dass die Kunststoffmatrix des Strukturbauteils eine ungerichtete oder alternativ eine gerichtete Stützstruktur durch die Füllstoffe aufweist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist das in der Kunststoffmatrix einliegende Versteifungsteil ein gebogenes Metallrohr, vorzugsweise ein Stahlrohr, das vorzugsweise einen Querschnitt zwischen 5mm bis 50mm und vorzugsweise eine Wandstärke von 0,7mm bis 3,5mm aufweist.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch das Umformverfahren Biegen nahezu jede Art der Versteifung mit z.B. Hinterschnitten oder anderen komplizierten Geometrien kostengünstig realisiert werden kann, ohne dass es einen aufwendigen und kostenintensiven Herstellungsprozess der Versteifungsteile erfordert, z.B. ein Tiefziehprozess mit in das Umformwerkzeug integrierter Schiebertechnik, um einen Hinterschnitt herstellen zu können. Durch den geringen Kostenaufwand für die Versteifungsteile ist ein solches Strukturbauteil aus wirtschaftlicher Sicht auch für eine Serienproduktion, insbesondere für kleine und mittlere Stückzahlenbereiche von 100 Teilen bis zu 50000 Teile pro Jahr, interessant.

Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Verwendung von Stahlrohren kleiner Querschnitte, die bei Herstellung des Strukturteils während des Spritzgießens auftretenden hohen Drücke von 400 bis 800bar zu keinem Versagen der versteifenden Stahlrohre führen, dadurch dass der runde Querschnitt die Druckbelastung optimal aufnimmt und das angegebene Verhältnis von Wandstärke zu Querschnitt der Druckbelastung im Prozess standhält.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist der Ausgangsquerschnitt des in der Kunststoffmatrix einliegenden Versteifungsteils, vorzugsweise ein Stahlrohr, durch eine weitere Bearbeitung verändert, insbesondere durch eine umformende Bearbeitung wie z.B. Einprägen von Sicken.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass dadurch die verstärkende Stützstruktur des Strukturbauteils durch ein einliegendes Versteifungsteil gezielt beeinflusst werden kann, wodurch eine höhere Steifigkeit und Festigkeit im Strukturbauteil resultiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils sind mindestens zwei Öffnungen eines in der Kunststoffmatrix einliegenden Stahlrohres als Versteifungselement von außerhalb des Strukturbauteils offen zugänglich.

Beispielsweise steigert eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils die Möglichkeiten der Funktionsintegration in das Strukturbauteil. So können die Öffnungen eines einliegenden Stahlrohrs definiert an Stellen des Bauteils positioniert sein, an denen weitere Komponenten angeschlossen werden, und so der zugängliche Rohrquerschnitt die Funktion eines Führungskanals für flexible Leitungen, wie z.B. Kabel und/oder Hydraulik- und/oder Pneumatikleitungen, hat.

Ein weiterer Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist, dass ein von außerhalb des Strukturbauteils offen zugängliches Stahlrohr als Versteifungselement auch direkt als Leitungssystem für flüssige oder flüchtige Medien wie z.B. Hydraulik- oder Pneumatikleitungen, insbesondere für Bremsleitungen, dient.

Solche vorteilhaften Ausgestaltungen sind auch aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll, da durch die Funktionsintegration im Strukturbauteil einzelne Fertigungs- und Montagearbeiten einer konventionellen Fertigung, wie z.B. separates Verlegen und Montieren des Leitungssystems, entfallen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist das Strukturbauteil weitere in die Kunststoffmatrix integrierte Funktionselemente, insbesondere Buchsen, Verbindungselemente und/oder Anbindungsflansche, auf.

Beispielsweise verkürzt ein derartiges Strukturbauteil die Herstellungszeit eines solchen Strukturbauteils im Vergleich zu einem konventionellen Strukturbauteil, dadurch dass sich die weiteren Funktionselemente direkt im Spritzgießprozess formschlüssig mit der Kunststoffmatrix verbinden und nicht in separaten Prozessen verbunden werden müssen.

Zur Verbesserung der Anbindung erfolgt die Anbindung eines weiteren Funktionselements alternativ auch über einen Haftvermittler, insbesondere auf wässriger oder lösemittelhaltiger Basis.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weist das Strukturbauteil mindestens ein Versteifungselement durch konsolidierte oder alternativ durch nicht-konsolidierte Fasergewebe, wie z.B. Textilfaserverbünde, und/oder Organobleche und/oder Organorohren auf.

Vorteilhaft an einer solchen Ausgestaltung ist, dass z.B. durch die gezielte Ausrichtung der Fasern in Fasergeweben das Strukturbauteil definierte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Deformationsvermögen aufweist und somit noch gezielter versteift ist.

Additiv erfolgt die Anbindung eines derartigen Versteifungselements in die Kunststoffmatrix mit oder ohne Haftvermittler.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Strukturteil anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert: Ein Frontendmodul für einen Kraftfahrzeug wird im Spritzgießverfahren bei einem Prozessdruck von 800bar hergestellt. Als Kunststoffmatrix weist dieses Strukturbauteil teilkristallines Polyamid mit 0,5mm langen Kurzglasfasern als Füllstoff, mit einem Volumenanteil von 60% an der Kunststoffmatrix, auf.

In das Strukturbauteil sind insgesamt vier versteifende Stahlrohre, zwei mit einem Durchmesser von 5mm und einer Wandstärke von 1mm und zwei mit einem Durchmesser von 30mm und einer Wandstärke von 2,5mm, integriert. Die zwei Stahlrohre mit dem Durchmesser von je 5mm sind von außerhalb des Strukturbauteils an je zwei Stellen offen zugänglich und dienen zusätzlich als Teil des Leitungssystems für die Bremsflüssigkeit des Kraftfahrzeugs.

Als weitere Funktionselemente weist das Strukturbauteil insgesamt acht Anbindungsflansche, zur Montage des Strukturbauteils an die Karosserie, das Motorhaubenschloss zur Aufnahme der Motorhaube und zwei weitere Fanghaken als Verstärkung zur Aufnahme der Motorhaube auf.

Die Fertigung des Strukturbauteils erfolgt wie zuvor beschrieben im Spritzgießverfahren.

Die vier Stahlrohre werden, entsprechend einer für die Funktion des Strukturbauteils ermittelten optimierten Geometrie, in einem separaten Bearbeitungsprozess gebogen, abgelängt und für den Spritzgießprozess bereit gestellt. Ebenso werden die weiteren Funktionselemente für den Spritzgießprozess bereit gestellt.

Mittels eines Handlingroboters werden die das Strukturbauteil versteifenden Stahlrohre und die weiteren Funktionselemente mit einem Haftvermittler auf lösemittelhaltiger Basis, der gleichzeitig auch als Korrosionsschutz wirkt, beschichtet und in Halterungen und Aufnahmen an definierten Positionen innerhalb der Spritzgussform für das Strukturbauteil abgelegt.

Anschließend wird die Spritzgussform geschlossen und die Kunststoffmatrix in die Spritzgussform bei 800bar eingebracht, so dass die Versteifungsrohre und die weiteren Funktionselemente zumindest teilweise umspritzt werden und die formschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffmatrix und den Versteifungsrohren und den weiteren Funktionselementen erfolgt.

Anschließend wird das fertige Frontendmodul entformt.

Als ein zweites erfindungsgemäßes Strukturbauteil wird ein Verstärkungsbauteil im Heckbereich eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Das Verstärkungsbauteil weist dabei einen komplizierten Geometrieverlauf auf. Die Herstellung des Verstärkungsbauteils erfolgt analog dem zuvor beschriebenen Prozess und mit der gleichen Kunststoffmatrix.

Allerdings ist in diesem Fall ein Stahlrohr mit einem Durchmesser von 20mm und einer Wandstärke von 2mm als Verstärkung vollständig in das Verstärkungsbauteil integriert. Dieses Stahlrohr weist einen komplexeren Verlauf auf, der in einem separaten Biegeprozess hergestellt wird, und die zwei Enden des Stahlrohres sind miteinander verschweisst, so dass ein geschlossener Verlauf des Stahlrohres entsteht.

Als weitere Funktionselemente weist das Verstärkungsbauteil 6 Anbindungsflansche, zur Montage des Verstärkungsbauteils im Heckbereich der Karosserie, auf.

Analog dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden das Stahlrohr und die 6 Anbindungsflansche nacheinander mittels eines Handlingroboters mit einem Primer beschichtet und in der Spritzgussform des Verstärkungsbauteils an definierten Positionen abgelegt.

Die weitere Fertigung des Verstärkungsbauteils erfolgt wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.


Anspruch[de]
Strukturbauteil aus Kunststoff,

aufweisend zumindest ein einliegendes Versteifungselement mit rohrförmigem Querschnitt,

wobei das mindestens eine einliegende Versteifungselement formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Strukturbauteil aus Kunststoff verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Anbindung des zumindest einen einliegenden Versteifungselements über Haftvermittler ausgestaltet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Versteifungselement gebogen ist. Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine einliegende Versteifungselement eine Querschnittsveränderung durch eine weitere Bearbeitung aufweist. Strukturbauteil nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen von mindestens einem einliegenden Versteifungselement rohrförmigen Querschnitts an mindestens zwei Stellen von außerhalb des Strukturbauteils zugänglich sind. Strukturbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Versteifungselement als Führungskanal ausgestaltet ist, insbesondere für Kabel und/oder Leitungen. Strukturbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Versteifungselement als Leistungssystem für flüssige oder gasförmige Medien ausgestaltet ist, insbesondere als Bremsleitung. Strukturbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil mindestens ein weiteres Funktionselement aufweist, insbesondere Buchsen und/oder Flansche zur Anbindung des Strukturbauteils. Strukturbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Funktionselement in das Strukturbauteil als formschlüssige Verbindung eingebracht ist, insbesondere durch Eingießen oder Umspritzen.






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