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Die Erfindung betrifft eine Türstruktur aus einem Faserkunststoffverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Türstruktur aus einem Faserkunststoffverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug.
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Bauteile aus Faserkunststoffverbundwerkstoffen werden in zunehmendem Maße in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um deren Gewicht zu senken. Ein häufig angewendetes Verfahren zur Herstellung dieser Faserkunststoffverbundbauteile ist das sogenannte Resin Transfer Molding (RTM). Hierbei werden Fasermatten, wie beispielsweise Gelege, Gewebe oder Geflechte aus Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Basalt-, Nylon- und/oder Naturfasern, in einem Formgebungsprozess in eine definierte räumliche Form gepresst. Die auf diese Weise erzeugten, vorgeformten Fasermatten werden als sogenannte „Vorformlinge” oder „Preforms” bezeichnet. Anschließend werden die Preforms in eine beheizbare Form eingelegt, in die eine Matrix zum Imprägnieren der Fasermatten injiziert wird.
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Unter anderem werden Faserkunststoffverbundwerkstoffe für Karosseriebauteile, insbesondere tragende Karosseriebauteile, Klappen und Türen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Insbesondere Klappen und Türen werden in der Regel aus mehreren monolithischen Einzelteilen oder Einzelschalen hergestellt. Das bedeutet, dass eine Tür oder eine Klappe aus mehreren solchen monolithischen Einzelteilen zusammengesetzt werden muss. Die monolithischen Einzelteile werden üblicherweise in einem jeweils zugehörigen Werkzeug hergestellt und dann miteinander verklebt.
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Hierfür müssen die zu verklebenden Oberflächen der monolithischen Einzelteile für die Verklebung vorbereitet und in einem anschließenden Handhabungsschritt zueinander positioniert werden. Danach kann das eigentliche Fügen der Einzelteile in einem Fügewerkzeug oder einer Fügevorrichtung stattfinden.
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Eine Türstruktur der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben sind aus der
DE 10 2013 223 519 A1 bekannt. Dabei wird zunächst ein Vorformling hergestellt, der mit Kunststoffmatrixmaterial imprägniert ist. Danach wird auf den Vorformling eine Pressmasse aus einem Kunststoffmatrixmaterial und ungerichteten Fasern aufgetragen. Sodann werden der Vorformling und die Pressmasse verpresst.
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Ein flächiges Einzelteil aus Faserkunststoffverbundwerkstoff, z. B. für eine Fahrzeugtür, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung sind aus der
DE 10 2012 216 727 A1 bekannt. Das Faserkunststoffverbundbauteil besteht dabei aus mindestens einer Faserlage und wird aus Fasermatten mit unterschiedlichen Dicken gebildet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Türstruktur aus einem Faserkunststoffverbundwerkstoff zu schaffen, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Darüber hinaus soll die Türstruktur ein möglichst geringes Gewicht und eine hohe Steifigkeit aufweisen.
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Die Aufgabe wird durch eine Türstruktur der eingangs genannten Art gelöst, die ein Türstrukturinnenteil und ein Türstrukturaußenteil umfasst und bei der das Türstrukturinnenteil und das Türstrukturaußenteil jeweils mindestens einen Preform umfassen und das Türstrukturinnenteil und das Türstrukturaußenteil zusammen eine einstückige Einheit bilden. Die Türstruktur ist also aus einem einzigen Bauteil gebildet. Dabei kann eine Türstruktur zum Beispiel ein tragendes Teil einer Seitentür, eines Heckdeckels oder einer Motorhaube sein. Durch das einstückige Ausbilden der Türstruktur entfallen alle Arbeitsschritte, die das Handhaben, Positionieren und Fügen von Einzelteilen betreffen. Die zugehörigen Werkzeuge und Anlagen sind auch nicht mehr nötig. Somit ist die Türstruktur einfach herstellbar. Darüber hinaus erfordern Handhabungs- und Fügeschritte in der Regel zusätzliche, verstärkte Angriffsstellen in der Türstruktur. Diese können entfallen, wodurch sich eine Gewichtsreduktion der Türstruktur und eine Materialeinsparung ergibt. Die Festigkeit und Steifigkeit hinsichtlich der Nutzung der Türstruktur wird nicht eingeschränkt.
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Die Türstruktur kann z. B. mit Hilfe eines RTM-, Press- oder Autoklavverfahrens hergestellt werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zumindest abschnittsweise zwischen dem Türstrukturinnenteil und dem Türstrukturaußenteil ein Kern, vorzugsweise ein Schaumkern, und/oder ein Hohlraum angeordnet ist bzw. sind, wobei der Hohlraum vorzugsweise durch einen Blasformkern gebildet ist. Durch das Verwenden von Kernen und/oder Hohlräumen können mechanisch sehr stabile Bauteile mit geringem Gewicht hergestellt werden. Weiter können Abschnitte des Türstrukturinnenteils und des Türstrukturaußenteils mit Hilfe von Kernen voneinander beabstandet angeordnet werden. Dies begünstigt die Herstellung der Türstruktur als eine einstückige Einheit in einem einzigen Werkzeug. Die Kerne, insbesondere Blasformkerne, können bei Bedarf nach der Herstellung des Bauteils aus diesen entfernt werden. Alternativ können durch Kerne generierte Hohlräume ganz oder teilweise mit einem Füllmaterial ausgefüllt werden.
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Auch kann ein Kern als Aufnahme für ein Einlegeteil, ein sogenanntes Insert, das meist aus Metall hergestellt ist, dienen. Der Kern umfasst dann Anlagegeometrien zur eindeutigen Positionierung des Einlegeteils.
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Einlegeteile, wie zum Beispiel Anschraubelemente für Scharniere, werden vorzugsweise an drei Seiten in Anlage mit dem Faserverbundbauteil, also den Faserlagen selbst, gebracht. So kann eine hohe Belastung, die auf das Einlegeteil wirkt, im Faserverbundbauteil aufgenommen werden. Eventuell vorhandene geometrische Toleranzen des Einlegeteils können durch Faserlagen im Anlagebereich ausgeglichen werden, die im Vergleich zu den übrigen Faserlagen einen niedrigeren Faservolumengehalt haben und somit überpresst werden können.
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Vorzugsweise ist ein ein- oder mehrteiliger Schaumkern im Wesentlichen entlang einer Türunterkante und/oder einer Türschlosskante und/oder einer Fensterunterkante und/oder einer Fenstervorderkante und/oder einer Türscharnierkante verlaufend angeordnet. So können die gewünschten mechanischen Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten und Steifigkeiten, der Türstruktur an denjenigen Stellen erreicht werden, an denen sie notwendig sind. Gleichzeitig wird das Gewicht der Türstruktur gering gehalten.
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Gemäß einer Variante kann der Hohlraum, der vorzugsweise durch einen ein- oder mehrteiligen Blasformkern gebildet ist, entlang einer Fenstervorderkante und/oder entlang einer Türscharnierkante verlaufend angeordnet sein. Somit wird ein Abschnitt der Türstruktur entlang der Türscharnierkante und/oder der Fenstervorderkante sehr steif ausgebildet. Gleichzeitig ist das Gewicht der Türstruktur gering. Optional kann der Hohlraum ganz oder teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt werden.
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In einer Gestaltungsvariante kann bzw. können das Türstrukturinnenteil und/oder das Türstrukturaußenteil jeweils mindestens zwei Preforms umfassen. Es können so auch komplexe Geometrien des Türstrukturinnenteils und/oder Türstrukturaußenteils hergestellt werden, indem diese aus mehreren Preforms zusammengesetzt werden. Über die verschiedenen Preforms können lokal die Faserrichtungen sowie die Anzahl an Faserlagen eingestellt werden.
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Vorzugsweise umfassen das Türstrukturinnenteil und/oder das Türstrukturaußenteil jeweils 3 bis 6 Preforms.
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Vorteilhafterweise sind die Preforms des Türstrukturinnenteils und/oder des Türstrukturaußenteils zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet. Dadurch ergibt sich eine dauerhaft feste Verbindung der Preforms, was eine mechanisch stabile Türstruktur zur Folge hat. Zusätzlich wird die Türstruktur an den Überlappungsstellen mechanisch besonders stabil.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst bzw. umfassen das Türstrukturinnenteil und/oder das Türstrukturaußenteil einen schlossseitigen Preform, einen schwellerseitigen Preform, einen scharnierseitigen Preform und einen fenstervorderkantenseitigen Preform. So kann eine Türstruktur mit komplexer Geometrie auf einfache Art und Weise hergestellt werden. Diese Türstruktur ist steif und hat ein geringes Gewicht.
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Der schwellerseitige Preform erstreckt sich bevorzugt bis zu einer Fensterunterkante. Dieser Preform erstreckt sich also in seiner Höhe über den gesamten Türkörper, d. h. von der Schwellerkante bis zur Fensterunterkante. Es ist somit ein großer Teil der Türstruktur aus nur einem Preform gebildet.
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Darüber hinaus kann bzw. können das Türstrukturinnenteil und/oder das Türstrukturaußenteil einen fensterunterkantenseitigen Preform umfassen. Somit kann die gewünschte Geometrie zusammen mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften in einem spezifischen Preform umgesetzt werden.
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In einer Ausführungsvariante ist im Türstrukturinnenteil und/oder im Türstrukturaußenteil mindestens ein Einlegeteil aus Metall angeordnet und bildet das Einlegeteil vorzugsweise ein Befestigungsteil zum Anbringen anderer Teile. Zum Beispiel kann an diesem Einlegeteil ein Teil des Scharniermechanismus oder des Schließmechanismus befestigt werden. Darüber hinaus kann das Einlegeteil einer Befestigung von Komponenten der Türinnen- und/oder Türaußenverkleidung dienen. Ebenfalls können Crashelemente über die Einlegeteile befestigt werden. Zusammenfassend dienen die Einlegeteile der Befestigung von Türausstattung. Dafür können die Einlegeteile zum Beispiel Gewinde umfassen. Die Einlegeteile können aus Aluminium oder Edelstahl bestehen.
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Zusätzlich kann zwischen dem Einlegeteil und dem Türstrukturinnenteil bzw. dem Türstrukturaußenteil eine Glasfaserschicht zur galvanischen Isolation angeordnet sein. Eine solche Isolation ist insbesondere notwendig, um Stahlwerkstoffe und Kohlenstofffasern galvanisch zu trennen. Damit wird der Korrosion der Stahlwerkstoffe vorgebeugt. Alternativ zu Glasfasern können auch andere, elektrisch nicht leitende Fasern verwendet werden.
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Weiter kann bzw. können das Türstrukturinnenteil und/oder das Türstrukturaußenteil mindestens eine Verstärkungseinlage, vorzugsweise aus einem unidirektionalen Faserband, umfassen. Solche Verstärkungseinlage dienen der Aufnahme von Kräften, die auf die Türstruktur wirken.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Türstruktur aus einem Faserkunststoffverbundwerkstoff einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den folgenden Schritten gelöst:
- a) Einlegen mindestens eines Preforms eines Türstrukturinnenteils in ein Werkzeug,
- b) Einlegen mindestens eines Kerns, vorzugsweise eines Schaumkerns und/oder Blasformkerns, in das Werkzeug,
- c) Einlegen mindestens eines Preforms eines Türstrukturaußenteils in das Werkzeug,
- d) Schließen des Werkzeugs,
- e) Einbringen von Harz in das geschlossene Werkzeug und
- f) Aushärten des Harzes.
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Es kann so ein Türstrukturteil als eine einstückige Einheit „in einem Schuss” hergestellt werden. Vorzugsweise wir dafür ein RTM-Verfahren, weiter vorzugsweise ein Niederdruck-RTM-Verfahren genutzt. Ein Zusammensetzen der Türstruktur aus zu verklebenden Einzelteilen entfällt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden im Schritt a) und/oder im Schritt c) mindestens zwei Preforms in das Werkzeug eingelegt werden. Somit sind auch Türstrukturen mit komplexen Geometrien herstellbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Türstruktur in einer Explosionsdarstellung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Türstruktur in einer Explosionsdarstellung,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Türstruktur, wobei ein Türstrukturinnenteil zur besseren Übersicht weggelassen ist,
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4 schematisch einen Aufbau eines Türstrukturinnenteils der erfindungsgemäßen Türstruktur aus Preforms,
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5 schematisch eine zur 4 alternative Ausführungsform eines Aufbaus eines Türstrukturinnenteils der erfindungsgemäßen Türstruktur aus Preforms,
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6 schematisch einen Aufbau eines Türstrukturaußenteils der erfindungsgemäßen Türstruktur aus Preforms,
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7 ein Detail der erfindungsgemäßen Türstruktur und
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8 zwei Ausführungsformen einer Überlappung von Preforms einer erfindungsgemäßen Türstruktur.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Türstruktur 10. Diese umfasst ein Türstrukturinnenteil 12 und ein Türstrukturaußenteil 14. Dazwischen ist ein Schaumkern 16 angeordnet.
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Am Schaumkern 16 sind vier Einlegeteile 18a–18d aus Metall befestigt, die zur Montage von Türausstattung und/oder zur Montage der Türstruktur 10 in einer Karosserie eines Fahrzeugs dienen.
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Die Einlegeteile 18a und 18b können beispielsweise zur Montage eines Scharniermechanismus genutzt werden, mit dem die Türstruktur 10 schwenkbar in einer Karosserie eines Fahrzeugs gelagert wird.
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Mit Hilfe der Einlegeteile 18c und 18d können Elemente einer Türinnen- oder Türaußenverkleidung an der Türstruktur 10 fixiert werden.
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Die Türstruktur 10 ist durch eine Türunterkante 20, eine Türschlosskante 22, eine Fensterunterkante 24, eine Fenstervorderkante 26 und eine Türscharnierkante 28 begrenzt. Diese Kanten werden gemeinsam vom Türstrukturinnenteil 12 und vom Türstrukturaußenteil 14 gebildet.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Schaumkern 16 einteilig ausgeführt.
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Wie in 1 zu erkennen ist, verlaufen Abschnitte des Schaumkerns 16 entlang der Fenstervorderkante 26, der Türscharnierkante 28, der Türunterkante 20, der Türschlosskante 22 und der Fensterunterkante 24. Darüber hinaus umfasst der Schaumkern 16 einen Versteifungsabschnitts 30.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der Türstruktur 10 ist in 2 zu sehen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 durch den Aufbau des Kerns zwischen dem Türstrukturinnenteil 12 und dem Türstrukturaußenteil 14.
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Der Kern umfasst hier einen Schaumkern 16, der entlang der Türunterkante 20, der Türschlosskante 22 und der Fensterunterkante 24 verläuft. Wie im Ausführungsbeispiel der 1 verfügt dieser Schaumkern 16 über einen Versteifungsabschnitt 30.
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Darüber hinaus ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel ein Blasformkern 32 vorgesehen, der aus zwei Abschnitten 34, 36 besteht. Ein erster Abschnitt 34 des Blasformkerns 32 verläuft entlang der Türscharnierkante 28. Ein zweiter Abschnitt 36 des Blasformkerns 32 verläuft entlang der Fenstervorderkante 26.
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In der fertig hergestellten Türstruktur 10 hinterlässt der Blasformkern 32 einen Hohlraum, der entlang der Fenstervorderkante 26 und der Türscharnierkante 28 verläuft.
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Im ersten Abschnitt 34 des Blasformkerns 32, der entlang der Türscharnierkante 28 verläuft, ist das Einlegeteil 18a angeordnet und im zweiten Abschnitt 36 des Blasformkerns 32, der entlang der Fenstervorderkante 26 verläuft, ist das Einlegeteil 18b befestigt.
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Der Blasformkern 32 kann nach dem Aushärten der Türstruktur 10 aus dieser entfernt werden, wobei die Einlegeteile 18a, 18b in der Türstruktur 10 verbleiben.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform der Türstruktur 10 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier das Türstrukturinnenteil 12 weggelassen.
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In der Türstruktur 10 gemäß der dritten Ausführungsform verläuft der Schaumkern 16 entlang der Fensterunterkante 24, der Türschlosskante 22 und im Wesentlichen entlang der Türunterkante 20.
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Zusätzlich zu diesem Schaumkern 16 ist ein einteiliger Blasformkern 37 vorgesehen, der entlang der Fenstervorderkante 26 und der Türscharnierkante 28 verläuft. Darüber hinaus verläuft ein Abschnitt des Blasformkerns 37 entlang der Türunterkante 20.
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Das Türstrukturinnenteil 12 ist bei allen Ausführungsformen aus mehreren Preforms zusammengesetzt.
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Wie in 4 zu sehen ist, umfasst das Türstrukturinnenteil 12 einen türschlossseitigen Preform 40, einen schwellerseitigen Preform 42, einen scharnierseitigen Preform 44, einen fenstervorderkantenseitigen Preform 46 und einen fensterunterkantenseitigen Preform 48.
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Zur weiteren Verstärkung ist eine Verstärkungseinlage 50 im Türstrukturinnenteil 12 angeordnet. Die Verstärkungseinlage 50 ist hier als ein unidirektionales Faserband ausgeführt.
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Alternativ zu der in 4 gezeigten Konfiguration kann das Türstrukturinnenteil 12 auch gemäß 5 aufgebaut sein. In dieser Konfiguration ist die Verstärkungseinlage 50 weggelassen. Darüber hinaus sind die einzelnen Preforms geometrisch modifiziert. Insbesondere ist der fensterunterkantenseitige Preform 48 anders ausgeführt, er umfasst zum Beispiel keine Öffnung.
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Gemäß den 4 und 5 umfasst das Türstrukturinnenteil 12 fünf Preforms, wobei die Verstärkungseinlage 50 nicht als Preform gezählt wurde. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Türstrukturinnenteil 12 aus mehr oder weniger Preforms aufzubauen. Das Türstrukturinnenteil 12 kann z. B. drei, vier oder sechs Preforms umfassen.
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Insbesondere können ausgehend von den in 4 und 5 gezeigten Konfigurationen der schwellerseitige Preform 42 und der fensterunterkantenseitige Preform 48 als ein einziger, einstückiger Preform ausgeführt sein. Es ergibt sich so ein Aufbau des Türstrukturinnenteils 12 aus vier Preforms, wobei die Verstärkungseinlage wieder nicht als Preform gezählt wurde.
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In 6 ist der Aufbau des Türstrukturaußenteils 14 zu sehen. Dieses setzt sich in der gezeigten Ausführungsform aus fünf Preforms zusammen.
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Auch das Türstrukturaußenteil 14 umfasst einen türschlossseitigen Preform 52, einen schwellerseitigen Preform 54, einen scharnierseitigen Preform 56, einen fenstervorderkantenseitigen Preform 58 und einen fensterunterkantenseitigen Preform 60. Optional kann das Türstrukturaußenteil 14 mit einer Verstärkungseinlage 62 ausgestattet sein.
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Wie schon beim Türstrukturinnenteil 12 erwähnt, kann auch das Türstrukturaußenteil 14 aus mehr oder wenigekann das Türstrukturaußenteil drei, vier or Preforms aufgebaut sein. Beispielsweise der sechs Preforms umfassen.
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Da Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig sind, müssen diese galvanisch von Metallteilen, z. B. den Einlegeteile 18a–18d, isoliert werden. Ansonsten kann es zur Korrosion der Metallteile kommen.
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Eine Möglichkeit, diese Isolation zu realisieren, ist in 7 schematisch dargestellt. Hier ist in einen Preform 64, der aus Kohlenstofffasern besteht, eine Glasfaserschicht 66 eingefügt, sodass kein direkter Kontakt zwischen den Kohlenstoffasern und einem nicht dargestellten Metallteil entsteht. Da Glasfasern nicht elektrisch leitfähig sind, wird so die Korrosion von metallischen Bauteilen unterbunden.
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Die das Türstrukturinnenteil 12 bildenden Preforms 40, 42, 46, 44 und 48 und/oder die das Türstrukturaußenteil 14 bildenden Preforms 52, 54, 56, 58 und 60 können relativ zueinander so angeordnet sein, dass sie sich zumindest abschnittsweise geometrisch überlappen. Dabei können die zwei in 8 schematisch dargestellten Arten der Überlappung eingesetzt werden.
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In der 8a) sind schematisch ein erster Preform 100, der zwei Faserschichten 101 und 102 umfasst, und ein zweiter Preform 200, der zwei Faserschichten 201, 202 umfasst, dargestellt.
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An den überlappenden Außenkonturen sind die Faserschichten 101 und 102 sowie die Faserschichten 201 und 202 paarweise stufenförmig versetzt angeordnet und so aufeinander abgestimmt, dass die Faserschichten 101 und 201 sowie 102 und 202 jeweils „auf Stoß” liegen.
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In der Variante gemäß 8b) ist die Außenkontur eines Preforms 300 gerade, d. h. ohne Stufe ausgeführt. Dahingegen ist die Außenkontur eines Preforms 400 insgesamt als Stufe ausgebildet. Das bedeutet, dass alle den Preform 400 bildenden Faserschichten zu einer Stufe umgeformt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223519 A1 [0007]
- DE 102012216727 A1 [0008]