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Die
Erfindung betrifft ein Dachhimmelelement für ein Kraftfahrzeug
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Dachhimmelelements der im Oberbegriff des Patentanspruchs 11 angegebenen
Art.
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Der
klassische Aufbau eines Dachhimmels besteht aus einem Trägermaterial,
wie beispielsweise ein Naturfaserkunststoffverbund, einer geschäumten
Zwischenschicht sowie einer textilen Deckschicht. Ein anderer, häufiger
verwendeter Lösungsansatz stellt einen Sandwichaufbau dar.
In den meisten Fällen ist dies ein Two-Shot Prozess, bei
dem als Laminate Glasvliese, Schäume und Absperrschichten
gestapelt werden. In einem Presswerkzeug findet die Formgebung und
Verbindung der einzelnen Schichten miteinander statt. Im Anschluss
wird dieses Trägermaterial mit einer Deckschicht kaschiert.
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Aus
der
DE 29607262 U1 oder
der
DE 10317670 A1 sind
jeweils Verkleidungselementen zur Ausbildung eines Dachhimmels eines
Kraftfahrzeuges bekannt, welche als eine Sandwichstruktur mit einem
Wabenkern und mit Deckschichten ausgebildet sind. Solche Sandwichstrukturen
finden im Bereich des Leichtbaus verstärkt Anwendung. Sie
weisen eine deutlich höhere Steifigkeit bei gleichem Gewicht
im Vergleich zu de oben angeführten Varianten auf. Im Vergleich
zu den teilweise verbauten Dachhimmeln aus Naturfaser und UP-Harzsystem
ist dieselbe Steifigkeit mit Hilfe von Papierwabenkernen und einer
Deckschicht aus Glasfasergewebe bei einer Gewichtsreduzierung von
ca. 75% realisierbar.
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Das
Energieabsorptionsvermögen beispielsweise bei einer unfallbedingten
Kraftbeaufschlagung, z. B. bei einem Überschlag, ist zudem
durch die Deformierbarkeit des Wabenkerns deutlich höher
als bei den oben genannten Lösungen, denn Wabenkerne können
sich deformieren und somit die kinetische Energie eines aufschlagenden
Körpers reduzieren. Durch die Vertiefungen des Wabenkerns
ist der schallabsorbierende Effekt des Dachhimmels verstärkt.
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Der
Herstellungsprozess basiert auf dem schichtweise Stapeln der verschiedenen
Laminate. Die Formgebung sowie die Verbindung der einzelnen Schichten
erfolgt mit Hilfe von Temperatur und Druck in einer beheizten Pressanlage.
Die Sandwichstruktur wird in der gewünschten Reihenfolge
gestapelt und in das Presswerkzeug eingelegt. Durch den Pressvorgang
erhält der Wabenkern die gewünschte Kontur. Bei
Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen bei dem Wabenkern
und einer Deckschicht entsteht dazwischen eine Schmelzverbindung.
In der
DE 101 53 973
A1 ermöglicht eine Matrix, beispielsweise aus
Harz, je nach Werkstoffkombination der verschiedenen Schichten ein
Verkleben oder Haften der Schichten miteinander.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dachhimmelelement für
ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Dachhimmelelements der eingangs genannten Art weiter zu entwickeln,
so dass das Dachhimmelelement für andere Funktionen sinnvoll
genutzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Dachhimmelelement
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Dachhimmelelements mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen
angegeben.
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Zur
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
wird ein Dachhimmelelement für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen,
welches als eine Sandwichstruktur mit einem Wabenkern und mindestens
einer Decksicht auf jeder Seite des Wabenkerns ausgebildet ist, wobei
in das Dachhimmelelement eine Kanalanordnung mit wenigstens einem
Kanal integriert ist. Durch die Integration von einer Kanalanordnung
mit wenigstens einem Kanal innerhalb des Dachhimmelelements ist
es beispielsweise eine Führung von Luft oder von Kabeln
durch den Kanal möglich.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung
weist die Kanalanordnung einen Kanal auf, welcher durch eine Aussparung
im Wabenkern ausgebildet ist. Dadurch hat die Integration einer
Kanalanordnung innerhalb des Dachhimmelelements den Vorteil, dass
die Bauteilmasse des Dachhimmelelements gleichzeitig reduziert wird.
Die Aussparung im Wabenkern kann beispielsweise auf einfache Weise durch
Pressen oder durch Abtragen der Zellenstruktur erfolgen. Dieser
Kanal kann beispielsweise durch anschließendes Aufbringen
einer Deckschicht ausgebildet werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber
hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn mindestens eine Kanalöffnung
in der innenraumseitigen Deckschicht des Dachhimmelelements angeordnet
ist. Dadurch kann Luft durch die Kanalanordnung geführt
werden, welche durch die Kanalöffnung in den Fahrzeuginnenraum
ausströmen kann. Des Weiteren kann beispielsweise durch
die A-, B- oder C-Säule ein Luftkanal aus der Lüftungs-
oder Klimaanlage des Fahrzeugs geführt werden, welcher
mit dem Kanal der Kanalanordnung des Dachhimmelelements verbunden
ist. Dadurch wäre es möglich, der Fahrzeuginnenraum
durch die Kanalöffnung des Dachhimmelelements zu lüften
bzw. zu klimatisieren.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als besonders
vorteilhaft gezeigt, wenn die mindestens eine Kanalöffnung
durch eine innenraumseitige, luftdurchlässige Decksicht
der Sandwichstruktur des Dachhimmelelements ausgebildet ist. Dadurch
kann eine relativ unauffällige Kanalöffnung in
dem Dachhimmelelement ausgebildet werden. Die Luft wird somit bis
zu der Stelle transportiert, an der diese mit einem luftdurchlässigen
Bereich versehen ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
der Wabenkern mittels einer Hybridwabestruktur oder durch Variation der
Wabenzellengröße Bereiche mit verschiedenem Energieabsorptionsvermögen
aufweist. Beim Einsatz einer Hybridwabestruktur oder bei Variation
der Wabenzellengröße können verschiedene
Bereiche des Dachhimmelelements an die Anforderungen an Energieabsorptionsvermögen
angepasst werden.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als besonders
vorteilhaft gezeigt, wenn mindestens ein mit der Position eines
Insassenkopfs korrespondierender bzw. in Überdeckung liegender Bereich
des Dachhimmelelements ein relativ größeres Energieabsorptionsvermögen
aufweist. Dadurch ist ein kritischer Bereich des Dachhimmelelements über
dem Kopf eines Insassen bezüglich passiver Sicherheit besonders
schützend ausgebildet. Somit kann im Kopfbereich ein Wabenmaterial
beispielsweise mit geringer Sprödigkeit und einem hohen
Energieabsorptionsvermögen verwendet oder die Zellengröße
zur maximalen Energieabsorption verkleinern werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber
hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn der Wabenkern zumindest bereichsweise
eine zumindest partielle Füllung der Wabenzellen, insbesondere
mit porösen Materialien, aufweist. Dadurch wird der Effekt
des Schallabsorptionsvermögens des Wabenkerns verstärkt.
Eine Steigerung des Schallabsorptionsgrades kann durch eine Füllung
des Wabenkerns, beispielsweise mit einem Schaum, oder durch eine
partiell oder flächig aufgebrachte Dämmschicht – zum
Beispiel aus Baumwollmatten hinter dem Wabenkern – erzielt
werden. Poröse Materialien sind hier zu bevorzugen, da
sie eine besonders gute Dämmeigenschaft besitzen.
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Zudem
ist es vorteilhaft, wenn die innenraumseitige Decksicht durch ein
weitmaschiges Gewebe ausgebildet ist. Durch die weitmaschige Struktur
können Schallwellen in den Wabenkern geführt werden
und gegebenenfalls an der Dämmschicht zusätzlich
absorbiert werden. Dadurch wird der Effekt der Schallabsorption
des Wabenkerns maximal ausgenutzt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Dachhimmelelement
eine Rahmenkonstruktion auf, welche durch Verkleben an der Sandwichstruktur
oder durch Anspritzung von Kunststoff mit dem Dachhimmelelement
verbunden ist. Durch das Anbringen der Rahmenkonstruktion kann die Torsionssteifigkeit
des Dachhimmelelements weiter erhöht werden. Zudem ist
es möglich an die Rahmenkonstruktion Verbindungselemente
zu integrieren.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Dachhimmelelement
mindestens ein Verbindungselement aufweist, welcher in der Sandwichstruktur,
insbesondere durch Stauchen der Sandwichstruktur und Einspritzen,
integriert sind. Durch Verbindungselemente kann das Dachhimmelelement mit
dem Dachkarosseriebauteil verbunden oder die Kabel eines Kabelbaums
befestigt werden.
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Die
vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Dachhimmelelement erläuterten Vorteile gelten in eben solcher
Weise für das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines solchen Dachelements nach den Patentansprüchen
11 bis 20.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines als Sandwichstruktur ausgebildeten
Dachhimmelelements für einen Personenkraftwagen;
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2 eine
ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten
Dachhimmelelements entlang einer durch die Linie II-II repräsentierten
Schnittebene, bei welcher die Sandwichstruktur des Dachhimmelelements
mit einem Wabenkern und mehreren Deckschichten erkennbar ist;
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3 eine
Frontansicht der Innerraumseite des Dachhimmelelements von 1,
bei welcher eine Kanalanordnung mit zwei Kanälen angedeutet ist;
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4 eine
perspektivische und ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten Dachhimmelelements
im Bereich eine Rahmenkonstruktion entlang einer durch die Linie
IV-IV repräsentierten Schnittebene;
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5 eine
ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten
Dachhimmelelements entlang einer durch die Linie V-V repräsentierten
Schnittebene, bei welcher ein Verbindungselement in die Sandwichstruktur
des Dachhimmelelements integriert ist;
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6 eine
Frontansicht des Dachhimmelelements von 1, bei welcher
der Wabenkern mittels Hybridwabe oder durch Variation der Wabenzellengröße
Bereiche mit verschiedenem Energieabsorptionsvermögen aufweist;
und
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7 eine
perspektivische Darstellung einer Hybridwabe.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Dachhimmelelements 10 für
einen Personenkraftwagen, welches als Sandwichstruktur 12 ausgebildet
ist. Das Dachhimmelelement 10 weist einen Verbindungselement 14,
welcher in der Sandwichstruktur 12 integriert ist, und
an einer Kante 15 eine Rahmenkonstruktion 12 auf.
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In 2 ist
eine ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten
Dachhimmelelements entlang einer durch die Linie II-II repräsentierten
Schnittebene gezeigt. Dabei ist die Sandwichstruktur 12 des
Dachhimmelelements 10 mit einem Wabenkern 18 und
mit zwei Deckschichten 20, 22 erkennbar.
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Bei
Belastung der Sandwichstruktur 12 auf Biegung werden die
Deckschichten 20 auf Zug bzw. auf Druck beansprucht. Der
Wabenkern 18, welcher die Schubkräfte überträgt
und die Deckschichten 20, 22 auf Abstand hält,
kann zum Beispiel Tubus-, Hexagonal- oder Sinuswaben aufweisen.
Als Material für den Wabenkern 18 können
beispielsweise Papier bzw. Cellulose, Kevlarpapier, ein Polymer
oder Aluminium verwendet werden.
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Die
Deckschichten 20, 22, welche die Geometrie des
Dachhimmelelements 10 fixieren und nahezu die gesamte auftretende
Spannung bei Belastung absorbieren, können beispielsweise
durch getränkte Glas- oder Kohlenstofffasergewebe ausgebildet
sein. Als Matrixmaterial zwischen der jeweiligen Deckschicht 20, 22 und
dem Wabenkern 18 können gängige Harzsysteme,
wie beispielsweise UP-Harz, VE-Harz oder EP-Harz, eingesetzt werden.
Um die Kosten zu reduzieren, ist es ebenfalls vorstellbar, einen
thermoplastischen Werkstoff zu verwenden, welcher sich bei Erwärmung
mit dem Wabenkern 18 verbindet.
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In 2 ist
des Weiteren erkennbar, dass die untere bzw. innenraumseitige Deckschicht 22 durch
weitmaschiges Gewebe 23 ausgebildet ist, um den Effekt
der Schallabsorption des Wabenkerns 18 zu verstärken.
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Um
einen gewünschten „Soft-Touch-Effekt” zu
erreichen, ist eine Schaumstoffschicht 24 zwischen der
unteren bzw. innenraumseitigen Deckschicht 22 und einer
Textildekorschicht 26, welche die Oberfläche zum
Fahrzeuginnenraum darstellt, aufgebracht. Die Integration des Schaums
zwischen der innenraumseitigen Deckschicht 22 des Wabenkerns 18 und
der Textildekorschicht 26 kann zum Beispiel durch Erwärmung
erfolgen.
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In 3 ist
eine Frontansicht der Innerraumseite des Dachhimmelelements 10 von 1,
bei welcher eine in das Dachhimmelelement integrierte Kanalanordnung 28 mit
zwei Kanälen 30 angedeutet ist, dargestellt, durch
welche eine Führung von Luft oder von möglich
ist. Die Kanäle 30 sind dabei durch eine Aussparung
im Wabenkern 18, welche durch Pressen oder durch Abtragen
der Wabenstruktur realisierte werden kann, und durch anschließendes
Aufbringen der innenraumseitigen Deckschicht 22 ausgebildet
ist. Dadurch hat die Integration der Kanalanordnung 28 innerhalb
des Dachhimmelelements 10 den Vorteil, dass die Bauteilmasse
des Dachhimmelelements 10 gleichzeitig reduziert wird.
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Die
aus weitmaschigem Gewebe 23 bestehende innenraumseitige
Deckschicht 22 stellt eine luftdurchlässige Sicht
und somit eine Kanalöffnung 32 zum Fahrzeuginnenraum
dar, aus welcher durch die Kanäle 30 geführte
Luft ausströmen kann. Die Position der Kanalöffnung 32 ist
hierbei durch die Gestaltung des Kanals 30 innerhalb des
Wabenkerns 18, beispielsweise durch seine Breite, und durch
die Wahl der Deckschicht 22, definiert. Nachdem die Luft die
innenraumseitige Deckschicht 22 durchgegangen ist, gelangt
sie im Weiteren durch die Schaumstoffschicht 24 und die
Textildekorschicht 26 in den Fahrzeuginnenraum hinein.
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In 3 ist
des Weiteren erkennbar, dass sich die jeweiligen Kanäle 30 von
zwei Eckbereichen 34 des Dachhimmelelements 10 jeweils
entlang einer Hälfte des Dachhimmelelements 10 bis
zu einem vorderen Bereich 36 hin erstrecken. Diese Kanäle
können jeweils mit einem Luftkanal verbunden werden, der
durch eine jeweilige C-Säule geleitet ist, so dass Luft
aus einer Lüftungs- oder Klimaanlage des Fahrzeugs durch
das Dachhimmelelement 10 geführt werden kann.
Die Führung von Kabeln durch die Kanäle 30 ist
ebenso möglich. So wäre beispielsweise möglich,
einen oder mehrere Leuchten im Dachhimmelelement 10 vorzusehen.
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Zudem
ist es in 3 erkennbar, dass die Kanäle
jeweils eine mittlere 38 und eine vordere Ausweitung 40 aufweisen,
wodurch sich in diesen Bereichen die Kanalöffnungsfläche
größer ausgebildet ist.
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4 zeigt
eine perspektivische und ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten
Dachhimmelelements 10 im Bereich der Rahmenkonstruktion 16 entlang
einer durch die Linie IV-IV repräsentierten Schnittebene.
Durch diese Rahmenkonstruktion, welche aus Kunststoff angespritzt
oder mit der Sandwichstruktur 12 verklebt werden kann,
wird die Torsionssteifigkeit des Dachhimmelelements 10 weiter
erhöht.
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In 5 ist
eine ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 dargestellten
Dachhimmelelements 10 entlang einer durch die Linie V-V
repräsentierten Schnittebene gezeigt, bei welcher das Verbindungselement 14 in
die Sandwichstruktur des Dachhimmelelements integriert ist. Um das
Verbindungselement 14 in dem Dachhimmelelement 10 zu
integrieren, wird beispielsweise die Sandwichstruktur 12 örtlich
zerstört, zum Beispiel durch spanende Bearbeitung oder
durch den hohen Druck eines Spritzgießwerkzeuges. Anschließend
wird das Verbindungselement 14 durch die gestauchte Sandwichstruktur 12 gespritzt.
Die Stauchung und der niedrige Spritzdruck ermöglichen
eine Integration des Verbindungselements 14 ohne großflächige
Zerstörung der Sandwichstruktur 12. Die Integration
der Verbindungsherstellung des Verbindungselements 14 mit
dem Dachhimmel 10 in den Herstellungsprozess ermöglicht eine
Kostenreduzierung, da die Verbindungselemente nicht mehr manuell
angebracht werden müssen.
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In 6 ist
eine Frontansicht des Dachhimmelelements 10 von 1 aus
der Außenraumseite dargestellt, bei welcher der Wabenkern 18 durch
drei Durchbruche 42 der außenraumseitigen Deckschicht 20 in
drei Zonen gezeigt ist. Um verschiedene Bereiche des Dachhimmelelements 10 an
die Anforderungen an Energieabsorptionsvermögen anzupassen, wird
die Wabenzellengröße der gezeigten Sinuswabestruktur 43 entsprechen
verändert. So soll der Kopfbereich 44 des Dachhimmelelements 10,
in welchem der Kopf eines Insassen mit dem Dachhimmelelement 10 korrespondiert
bzw. in Überdeckung liegt, im Hinblick auf die passive
Sicherheit besonders schützend ausgebildet werden. Hierzu
ist in den Kopfbereichen 44 die Zellengröße
des Wabenkerns 18 verkleinert, um eine höhere
Energieabsorption zu ermöglichen. Währendessen
ist die Wabenzellengröße in dem mittleren Bereich 46 zwischen
den Kopfbereichen 44 größer ausgestaltet.
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Eine
weitere Möglichkeit, um das Energieabsorptionsvermögen
an den Anforderungen bezüglich passiver Sicherheit von
verschiedenen Bereichen anzupassen, stellt die Anwendung von Hybridwabestrukturen 48 dar.
Eine solche Wabenstruktur 48 ist in 7 in einer
perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei ist diese als Hexagonalwabe
ausgebildete Hybridwabenstruktur 48 durch zwei miteinander
verbundenen Lagen 50, 52 aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen
zusammengesetzt. Die Hybridwabenstruktur 48 könnte
auch als eine Tubus- oder Sinuswabe ausgebildet sein. Durch gezieltes
Aussuchen der Werkstoffe für jede Lage 50, 52 bekommt
die Hybridwabe unter anderen bestimmte Eigenschaften bezüglich
Energieabsorptionsvermögen bei Überschlag. Somit
kann eine Hybridwabenstruktur 48 mit einem höheren
Energieabsorptionsvermögen in den Kopfbereichen 44 als
in dem mittleren Bereich 46 des Dachhimmelelements 10 vorgesehen
werden.
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Bei
Verwendung eines Wabenkerns 18 zur Erhöhung der
passiven Fahrzeugsicherheit. sollte die Wabenhöhe möglichst
groß gewählt werden, um das Maximum der Energieabsorption
zu erreichen.
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Der
Effekt des Schallabsorptionsvermögens des Wabenkerns 18 könnte
zumindest durch eine partielle und bereichsweise Füllung
der Wabenzellen, insbesondere mit porösen Materialien,
verstärkt werden. Eine Steigerung des Schallabsorptionsgrades
kann durch eine Füllung des Wabenkerns 18, beispielsweise
mit einem Schaum, oder durch eine partiell oder flächig
aufgebrachte Dämmschicht – zum Beispiel aus Baumwollmatten
hinter dem Wabenkern 18 – erzielt werden. Poröse
Materialien sind hier zu bevorzugen, da sie eine besonders gute Dämmeigenschaft
besitzen.
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- 10
- Dachhimmelelement
- 12
- Sandwichstruktur
- 14
- Verbindungselement
- 15
- Kante
- 16
- Rahmenkonstruktion
- 18
- Wabenkern
- 20
- Deckschicht
- 22
- Deckschicht
- 23
- weitmaschiges
Gewebe
- 24
- Schaumstoffschicht
- 26
- Textildekorschicht
- 28
- Kanalanordnung
- 30
- Kanal
- 32
- Kanalöffnung
- 34
- Eckbereich
- 36
- vorderer
Bereich
- 38
- mittlere
Ausweitung
- 40
- vordere
Ausweitung
- 42
- Durchbruch
- 43
- Sinuswabestruktur
- 44
- Kopfbereich
- 46
- mittlerer
Bereich
- 48
- Hybridwabenstruktur
- 50
- Lage
- 52
- Lage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29607262
U1 [0003]
- - DE 10317670 A1 [0003]
- - DE 10153973 A1 [0005]