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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Faserverbundbauteil
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 21.
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Derartige
Verfahren und Faserverbundbauteile sind hinlänglich bekannt.
Zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines Umflechtungsprozesses
wird beispielsweise ein Hartschaumkern von einem Mehrachsroboter
durch ein Flechtauge einer Radialflechtmaschine geführt. Über
die Durchzugsgeschwindigkeit des Hartschaumkerns lässt sich
ein Winkel von Fäden, mit denen der Hartschaumkern umflochten
wird, variieren. Im Gegensatz zu einem Wickelverfahren lassen sich
Dank der Reibung der Fasern auch eine Fadenablage neben der geodätischen
Linie realisieren. Ebenfalls möglich ist eine gezielte
Einbringung von Einlegeelementen.
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Ein
weiteres Verfahren ist die so genannte Flecht-Pultrusion. Hierbei
wird nicht mit einem im Bauteil verbleibenden Hartschaumkern, sondern
mit einem fest stehenden Stahlkern gearbeitet. Nachteilig ist hierbei,
dass sich ein Geflecht der Fasern unter Zugbelastung strukturbedingt
einschnürt und dadurch hohe Kräfte erforderlich
werden, um das Geflecht vom Stahlkern abzuziehen. Ein weiterer Nachteil
der Flecht-Pultrusion ist, dass dieses kontinuierliche Verfahren
keine Möglichkeit eines mehrmaligen Umflechtens durch Vor-
und Zurückführen des Stahlkerns durch das Flechtauge
besteht. Eine Flexibilität bezüglich Geflechtaufbau,
Flechtwinkel, Fadenspannung und Anzahl der Fäden ist hierbei
als gering einzuschätzen.
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Die
DE 10 2004 017 311
A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbund-Halbzeugen
mittels Rundflechttechnik. Auch mittels eines Flechtverfahrens hergestellte
Crashboxen auf Basis eines kohlefaserverstärkten Kunststoffes
sind bereits bekannt.
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Die
bekannten Verfahren und Faserverbundbauteile weisen dabei allesamt
die Nachteile auf, dass die mittels derartiger Verfahren hergestellten Bauteile
beziehungsweise diese Faserverbundbauteile selbst einen nur äußerst
geringen Funktionserfüllungsumfang aufweisen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
ein Faserverbundbauteil der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass
ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil beziehungsweise
das Faserverbundbauteil einen höheren Funktionserfüllungsumfang
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Faserverbundbauteil
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Ein
solches Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere
eines Querträgers für eine Karosserie eines Personenkraftwagens, bei
welchem zumindest ein Kernelement mit Fasern umflochten und mit
einem Kunststoff versehen wird, sieht erfindungsgemäß vor,
dass das mit den Fasern umflochtene Kernelement in einem Spritzgießverfahren
umspritzt wird. Mittels des Spritzgießverfahrens ist es
somit ermöglicht, das mit den Fasern umflochtene Kernelement
mit Funktionselementen zu versehen, wodurch ein Funktionserfüllungsumfang
des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten
Faserverbundbauteils deutlich erhöht ist. Bei derartigen
Funktionselementen handelt es sich beispielsweise um Befestigungsvorrichtungen
wie Haken, Klipse oder Steckverbindungsvorrichtungen oder etwa um Öffnungen
oder Gewindeöffnungen, mittels welchen am Faserverbundbauteil
andere Funktionsbauteile der Karosserie des Personenkraftwagens
angebracht werden können beziehungsweise das Faserverbundbauteil
selbst an der Karosserie des Personenkraftwagens oder an anderen
Bauteilen derselbigen angebracht und mit diesen verbunden werden
kann. Dem entsprechend sind beispielsweise auch Funktionsflächen
mittels des Spritzgießverfahrens ausbildbar, an welchen
anderweitige Bauteile festigbar und/oder ausrichtbar sind.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein
integrierter Prozess einer kontinuierlichen Herstellung eines Faserverbundbauteils
durch einen Umflechtungsprozess eines Kernelements, der beispielsweise
als Umflecht-Pultrusionsprozess ausgebildet ist, und durch einen
direkt in einer Gesamtanlage nachgelagerten Spritzgießprozess
geschaffen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird somit die Herstellungszeit für das Faserverbundbauteil reduziert,
was mit einer Reduzierung der Gesamtkosten für das Verfahren
und damit mit einer Reduzierung der Gesamtkosten für das
hergestellte Faserverbundbauteil einhergeht.
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Des
Weiteren ist ein Faserverbundbauteil geschaffen, welches sowohl
nachbearbeitungsfrei die gewünschte Geometrie sowie die
beschriebenen und gegebenenfalls weitere Funktionselemente und gleichzeitig
alle bisher bekannten Vorteile eines Faserverbundbauteils aufweist,
nämlich die, dass es sich bei dem mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellten Faserverbundbauteils um ein leichtes Bauteil
mit einem sehr guten Unfallverhalten handelt, da es sowohl eine
gewisse Steifigkeit als auch ein sehr gutes Potential zur Aufnahme
von Aufprallenergie im Falle eines Unfalls aufweist.
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Insbesondere
gegenüber häufig eingesetzten Querträgern
für Karosserien aus Aluminium-Strangpressprofilen in gebauter
Ausführung, bei welchen beschriebene Funktionselemente
durch Abfräsen beziehungsweise Lochen ausgebildet werden, weist
das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte
Faserverbundbauteil eine hohe Zeit- und damit Kostenersparnis durch
den beschriebenen integrierten Prozess auf.
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Als
vorteilhaftes Flechtverfahren wird dabei ein so genanntes Radialflechtverfahren
eingesetzt, mittels welchem Bauteile mit veränderlichen
Querschnitten und Geometrien besonders gut, unaufwändig
und damit kostengünstig herstellbar sind.
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Wird
das mit den Fasern umflochtene Kernelement mit einem Thermoplasten
umspritzt, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch die beschriebenen Funktionselemente
und insbesondere komplexere Geometrien der selbigen besonders einfach
und damit kostengünstig hergestellt werden können.
Dies reduziert die Kosten für das Verfahren weiter, womit reduzierte
Gesamtkosten für das derartig hergestellte Faserverbundbauteil
einhergehen. Ein weiterer, den Kostenaspekt vorteilig beeinflussender
Vorteil einer Umspritzung des umflochtenen Kernelements mit dem
Thermoplasten in dem Spritzgießverfahren ist der, dass
ein Thermoplast-Spritzgießverfahren gegenüber
anderen Spritzgießverfahren kostengünstiger und
damit wirtschaftlicher durchgeführt werden kann, da bei
einem Thermoplast-Spritzgießverfahren eine Prozessführung
weit unkomplizierter ist. So sind gerade im Vergleich zu einem Duroplast-Spritzgießverfahren
weitaus geringere Drücke nötig. Auch ist bei einem
Duroplast-Spritzgießverfahren eine Einhaltung bestimmter
Temperaturen besonders wichtig, was die Prozessführung
aufwändiger und damit kostenintensiver gestaltet. Als Thermoplast
kann beispielsweise Polyamid zum Einsatz kommen. Aber auch andere
Thermoplasten sind einsetzbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
das Spritzgießverfahren als ein Niederdruckverfahren, insbesondere
als ein Schaumspritzgießverfahren oder als ein Spritzprägeverfahren,
mit einem maximalen Druck von bis zu 600 bar durchgeführt.
Dieses niedrige Druckniveau erlaubt eine weitere Kostenreduzierung
des Verfahrens, da Komponenten einer Anlage zur Durchführung
eines der genannten Verfahren zur Druckerzeugung bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren weitaus geringer in ihrer Leistung, insbesondere bezüglich
einer Schließkraft, dimensioniert sein müssen,
was mit einer geringeren Energieaufnahme während des Verfahrens
einhergeht. Somit sind die Herstellkosten nochmals abgesenkt, was
mit einer Absenkung der Gesamtkosten des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellten Bauteils einhergeht. Ein weiterer Vorteil eines niedrigen
Drucks beim Spritzgießverfahren ist der, dass dadurch das
Kernelement nicht zu stark belastet und damit nicht beschädigt wird
bzw. das Kernelement weniger steif ausgebildet sein kann, wodurch
ein geringeres Gewicht des Kernelement ermöglicht ist,
insbesondere durch einen Werkstoff mit einem niedrigen spezifischen
Gewicht.
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Dadurch
ist bei dem Faserverbundbauteil ein erhebliches Leichtbaupotential
mit sehr gutem Unfallverhalten bei gleichzeitiger wirtschaftlicher
Herstellung gegeben. Insbesondere in Verbindung mit einem Querträger
für eine Karosserie eines Personenkraftwagens erweist sich
dies als besonders vorteilhaft, da dadurch ein Faserverbundbauteil
geschaffen ist, welches ein hohes Energieaufnahmepotential im Falle
eines Unfalls aufweist, wodurch eine Sicherheit für Insassen
des Personenkraftwagens deutlich gesteigert ist. Insbesondere gegenüber
konventionellen Querträgern aus Aluminium, Stahl oder ähnlichen Metallen
kann bei verbessertem Unfallverhalten Gewicht eingespart werden
durch einen Einsatz von Hochleistungsfasern beim Umflechtungsprozess.
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Vorteilhafterweise
wird das Kernelement in einem der Umflechtung vorgelagerten Spritzgießprozess
hergestellt. Dies bedeutet eine weitere Integration eines Herstellungsschritts
des Faserverbundbauteils, wodurch Herstellungszeit und damit Herstellungskosten
des Faserverbundbauteils weiter reduziert sind. Wird das Kernelement
als im Wesentlichen geschlossenporiges oder offenporiges Schaumkernelement
ausgebildet, so hat dies den Vorteil inne, dass ein einerseits leichtes
und andererseits stabiles Kernelement geschaffen ist, das mit Fasern
umflochten werden kann, ohne dabei auf eine etwaige Beschädigung
des Kernelements durch den Umflechtungsprozess achten zu müssen,
was eine Komplexität des Verfahrens und damit die Kosten des
Verfahrens reduziert.
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Wird
das Kernelement im Wesentlichen aus einem Hartschaum oder einem
Aluminiumschaum gebildet, so bleibt der Vorteil des geringen spezifischen
Gewichts im Wesentlichen bestehen, wobei das Kernelement bei dieser
Ausführungsform ein gesteigertes Energieaufnahmepotential
aufweist, wodurch im Falle eines Unfalls eine Aufprallenergie besonders
gut in Verformungsenergie umgewandelt werden kann zur Reduzierung
der Verletzungswahrscheinlichkeit und der Verletzungsschwere der
Insassen des Personenkraftwagens mit einem mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Faserverbundbauteil.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
das Kernelement mittels eines Core-Back-Expansion-Moulding-Verfahrens
hergestellt. Ein derartiges Verfahren ermöglicht die Herstellung
eines Kernelements mit einem besonders geringen Gewicht bei gleichzeitiger
Einsparung von Fertigungsmaterial insbesondere in Form von Kunststoff,
da ein Bauteilvolumen größer ist als ein Spritzvolumen.
Daraus ergibt sich eine drastische Kostenreduktion für
das derartige Verfahren.
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Bei
diesem Verfahren wird vorteilhafterweise eine mit einem Treibmittel
versehene Kunststoffschmelze bei geschlossenem Werkzeug in eine
Kavität eingebracht. Durch das Vorsehen eines Treibmittels,
beispielsweise in Form von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder dergleichen,
ist es ermöglicht, bei dieser Art von Spritzgussprozess
eine Expansion der Kunststoffschmelze zu einem Schaum auszubilden, wodurch
das entstehende Kernelement bei einem geringen Materialeinsatz ein
großes Volumen und damit vorteilhafte Unfalleigenschaften
aufweist.
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Wird
das Werkzeug bei dem Verfahren zumindest bereichsweise etwas geöffnet,
so kann die Kunststoffschmelze, die durch ihre Expansion zu einem
Schaum ausgebildet wird, gegen Wandungen des Werkzeugs expandieren.
Dies hat zur Folge, dass an den Wandungen eine hohe Dichte des Schaums
und damit des gebildeten Kernelements vorhanden ist, welche zur
Mitte der Kavität hin abnimmt. Dadurch ist es vorteilhafterweise
ermöglicht, eine Dichte und damit eine Festigkeit des so
gebildeten Kernelements bedarfsgerecht einzustellen.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass bei einer Ausführungsform der
Erfindung das Kernelement in einem der Umflechtung vorgelagerten
Strangpressverfahren hergestellt oder rollgeformt wird. Dies bedeutet
eine besonders günstige Herstellung des Kernelements, wodurch
die Kosten des Verfahrens weiter absenkbar sind.
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Weiterhin
als vorteilhaft erweist es sich, wenn bei einer Ausführungsform
der Erfindung das Kernelement als ein Hohlprofil ausgebildet wird.
Dadurch ist eine Reduzierung eines Gewichts des Kernelements und
damit eine Reduzierung des Gewichts des Faserverbundbauteils mit
einem derartigen Kernelement ermöglicht. Das so geschaffene
Kernelement in Leichtbauweise weist allerdings dennoch eine hohe
Steifigkeit und damit ein gutes Unfallverhalten auf. Eine weitere
Gewichtsreduzierung ist dadurch erreicht, dass das Hohlprofil geringe
Wandstärken aufweist.
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In
jeglicher Ausführungsform hat das Kernelement neben einer
Funktion als Konturgeber für den Umflechtungsprozess eine
Rolle eines Stabilitätsgarants einer Struktur für
das Spritzgießverfahren sowie eine große Bedeutung
für eine erhöhte Festigkeit und für ein
erhöhtes Energieaufnahmepotential des Faserverbundbauteils
inne, was insbesondere in Form eines Querträgers für
eine Karosserie eines Personenkraftwagens der gesamten Karosserie
und damit den Insassen der selbigen zu Gute kommt.
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Bei
der besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
wird das Kernelement mit Hybridgarnen beziehungsweise Rovings oder
mit einem thermoplastischen Matrixpolymer vorimprägnierten
und konsolidierten Rovings oder mit Glasfasergarnen oder mit Kohlefasern
umflochten. Dabei ist es ebenso vorstellbar, das Kernelement mit
anderweitigen Fasern oder gar mit einer Kombination von unterschiedlichen
Fasern zu umflechten. Bei den Hybridgarnen beziehungsweise Rovings
kann es sich dabei beispielsweise um Twintex® handeln.
Die Konsolidierung der konsolidierten Rovings kann beispielsweise
durch Pultrusion geschehen. Durch einen Einsatz derartiger Verstärkungsfasern
ist das Unfallverhalten des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Faserverbundbauteils weiter verbessert, was die Verletzungswahrscheinlichkeit und
die Verletzungsschwere der Insassen eines Personenkraftwagens mit
einem derartigen Faserverbundbauteil herabsetzt bei gleichzeitig
geringem spezifischen Gewicht des Faserverbundbauteils.
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Wird
das Kernelement mit mit einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplasten,
pultrudierten Rovings, insbesondere Multi-Filament-Rovings, oder
Glasfasergarnen umflochten, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch
eine gute Verbundhaftung zwischen den genannten Garnen beziehungsweise
Rovings geschaffen ist. In dem nachgelagerten Spritzgießverfahren,
bei welchem die genannten Garne, beziehungsweise Fasern, beziehungsweise
Rovings einerseits mit einem Matrixwerkstoff zur Verbindung und
andererseits gegebenenfalls das Faserverbundbauteil mit den Funktionselementen
versehen werden beziehungsweise wird, schmilzt der Kunststoff der
mit diesem Kunststoff pultrudieren Rovings beziehungsweise Glasfasergarnen
auf und geht eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Spritzgießverfahren
umspritzten Kunststoff ein.
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Eine
weitere Verbesserung des Unfallverhaltens des Faserverbundbauteils
ist dadurch erreicht, dass bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung das Kernelement zusätzlich mit metallischen
Verstärkungsfasern, insbesondere Fäden, Litzen
oder Seilen umflochten wird. Derartige Metalldrahtelemente dienen
zur Wahrung einer Strukturintegrität des Faserverbundbauteils
im Falle eines Unfalls, wodurch das Faserverbundbauteil insbesondere
in Form eines Querträgers, der wiederum eine Form eines
Biegeträgers darstellt, Anforderungen an einen so genannten
Pfahlaufprallunfall erfüllt.
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Bei
den metallischen Verstärkungsfasern handelt es sich dabei
beispielsweise um Fasern, die einerseits eine hohe Materialdehnung
aufweisen, die bei Stahl beispielsweise bei 30% liegt. Dadurch ist
in Folge eines hohen Potentials einer Energieaufnahme im Falle eines
Unfalls eine Verbesserung des Unfallverhaltens des Faserverbundbauteils
erreicht. Dieser Aspekt wird dadurch verstärkt, dass die
metallischen Verstärkungsfasern verdrillt sind, wodurch
eine geometrische Dehnung derart erreicht ist, dass, werden die
metallischen Verstärkungsfasern auf Zug belastet, die metallischen
Verstärkungsfasern aufdrillen und sich ausdehnen. Dabei
kann vorgesehen sein, dass ein derartiges Faserverbundbauteil als
Querträger für einen Stoßfänger
oder auch in einer Tür des Personenkraftwagens dient. Idealerweise
weisen die metallischen Verstärkungsfasern also eine so
genannte kurze Schlaglänge auf. Diese metallischen, insbesondere
axial verlaufenden Verstärkungsfasern weisen ein unidirektionales
Verhalten auf.
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Weiterhin
lässt sich eine Verbesserung des Unfallverhaltens des Faserverbundbauteils
herbeiführen, wenn in das Kernelement Verstärkungsfasern eingebracht
werden. Das Vorsehen von Verstärkungsfasern innerhalb des
Kernelements erhöht eine Festigkeit und eine Steifigkeit
und damit eine Strukturintegrität des Kernelements im Falle
eines Unfalls, womit eine weitere Steigerung der Sicherheit der
Insassen des Personenkraftwagens mit einem derartigen Faserverbundbauteil
erreicht ist.
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Ebenso
kann vorgesehen sein, dass vor der Umflechtung das Kernelement von
außen mit Verstärkungsfasern versehen, beispielsweise
umwickelt oder beklebt wird, oder die Verstärkungsfasern
anderweitig am Kernelement befestigt werden. Auch dies führt
zu einer höheren Festigkeit und Steifigkeit des Kernelements,
was einem Unfallverhalten des Kernelements selbst positiv zu Gute
kommt zur weiteren Steigerung der Sicherheit der Insassen im Falle eines
Unfalls.
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Die
vorgenannte Verstärkung des Kernelements ist derart weiter
verbesserbar, wenn metallische Verstärkungsfasern eingebracht
beziehungsweise vorgesehen werden. Derartige Verstärkungsfasern
weisen eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit auf, die das
Unfallverhalten wie angedeutet weiter verbessern, insbesondere dann,
wenn die metallischen Verstärkungsfasern zusätzlich
zu bereits vorgesehenen Fasern oder dgl. eingebracht werden.
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Die
beschriebene äußerliche Befestigung der Verstärkungsfasern
am Kernelement erweist sich als äußerst vorteilhaft,
wenn beispielsweise bei einer Herstellung eines Faserverbundbauteils
in Form eines Querträgers beziehungsweise Biegeträgers
mit beispielsweise zwei oder einer anderen Anzahl an Energie absorbierenden
Elementen, also Crashboxen, dieses Faserverbundbauteil in einem
Stück umflochten wird. Hierbei werden die Verstärkungsfasern,
insbesondere metallische Verstärkungsfasern, bei einer
kontinuierlichen Umflechtung über das gesamte Faserverbundbauteil
mit den Crashboxen verbunden.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass das Kernelement beziehungsweise
Kernelemente hierfür aber auch für andere Ausführungsformen
des Verfahrens ebenfalls spritzgeschäumt und/oder mehrteilig
ausgebildet werden können und bis zur Konsolidierung durch
eine Klebeverbindung befestigt sein können.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
werden während des Umflechtens metallische Verstärkungsfasern,
insbesondere Litzen, Stahllitzen, Fäden, Seile oder dergleichen
eingezogen. Das bedeutet also, dass diese Art der Verstärkungsfasern
nicht geflochten, sondern parallel zu einer oder mehrerer Erstreckungsrichtungen,
insbesondere axial beispielsweise bei dem Querträger, in
die Flechtstruktur eingebunden werden. Dies bedeutet eine weitere
deutliche Verbesserung des Unfallverhaltens des mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Faserverbundbauteils, was besonders die
Strukturintegrität des Faserverbundbauteils, insbesondere
in Form eines Querträgers beziehungsweise Biegeträgers,
im Falle eines Unfalls betrifft.
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Werden
metallische Verstärkungsfasern mit einer Kunststoffummantelung,
insbesondere einer Thermoplastummantelung, vorgesehen, so ist dadurch
die zuvor, im Zusammenhang mit den Garnen beziehungsweise den Fasern
beziehungsweise den Rovings beschriebene Verbundhaftung zwischen eben
den metallischen Verstärkungsfasern und dem Kunststoff
des Spritzgießverfahrens deutlich verbessert. Dieser verbesserte
Zusammenhalt bedeutet eine weitere Verbesserung des Unfallverhaltens
des Faserverbundbauteils, da die Vorteile der einzelnen Elemente
des Faserverbundbauteils fest miteinander verknüpft sind.
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Wird
eine Struktur aus dem Kernelement, den Fasern und gegebenenfalls
den Verstärkungsfasern, gleich welcher Art, während
und nach der Umflechtung erwärmt, so hat dies den Vorteil
inne, dass die beschriebene Verbundhaftung verbessert wird. Dies
ist ebenso durch das Umspritzen mit Kunststoff erreichbar. Ein ungleichmäßiges
Erstarren und ein etwaiges daraus resultierendes Ablösen
der Fasern beziehungsweise des Kunststoffs beziehungsweise der Verstärkungsfasern
ist ebenso vermieden wie eine etwaige Bildung von Rissen.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein Bewegen und/oder Halten des Kernelements während
des Verfahrens mittels zumindest eines Greifers eines Roboters durchgeführt
wird. Dies bedeutet ein einfaches und unaufwändiges Handling
des Kernelements sowie ein nur geringer benötigter Bauraum
für eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Zudem wird eine Materialverschwendung vermieden, wie
es bei einem Vorsehen von zusätzlichen Haltern am Kernelement
der Fall wäre. Dieser Vorteil kann weiterhin dadurch verstärkt
werden, wenn eine Mehrzahl von Greifern kooperierender und sich
abwechselnder Roboter in einer integrierten Flecht-Spritzgussanlage
zur Bewegung vorgesehen ist, die während des quasi kontinuierlichen
Verfahrens das Bewegen bzw. Halten des Kernelements durchführen.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass das Kernelement mittels an Randbereichen
des Kernelements vorgesehenen Aufnahmevorrichtungen bewegt und/oder
gehalten wird. Damit einher geht der Vorteil, dass insbesondere
bei einer mehrlagigen Umflechtung ein häufiges Greifen/Loslassen
des Kernelements, wie es bei einem Einsatz eines Greifers der Fall
wäre, vermieden ist. Dadurch ist die Herstellungszeit und
damit sind die Herstellungskosten für das Faserverbundbauteil
in einem geringen Rahmen gehalten.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird eine deutliche
Verbesserung von Bauteileigenschaften des Faserverbundbauteils durch
eine definierte Faser-Draht-Anordnung in Längs- und Querrichtung erzielt.
Darüber hinaus werden erhebliche Gewichts- und Kostenreduzierungen
ermöglicht. Durch eine Kombination als integratives Produktionskonzept
von Umflechten und Spritzgießen ist das Verfahren sehr variabel
und flexibel in Bezug auf geänderte Abmessungen des Faserverbundbauteils,
insbesondere in Form eines Querträgers beziehungsweise
Biegeträgers einer Karosserie eines Personenkraftwagens, einsetzbar.
Des Weiteren ist das Verfahren gegenüber einem mehrstufigen
Prozess mit konsolidierten Halbzeugen energetisch günstiger.
Für eine Zuführung der Fasern beziehungsweise
Garne beziehungsweise Metalldrähte in den Umflechtungsprozess
ist keine teure Prozessmodifikation von Nöten. Gleichzeitig
sind mechanische Eigenschaften des Faserverbundbauteils, insbesondere
die einer Energieabsorption im Falle eines Unfalls und der Wahrung
der Strukturintegrität deutlich gesteigert. Da ein derartig
hergestelltes Faserverbundbauteil aus einem thermoplastischen Matrixmaterial
besteht, eignet es sich auch zum Umspritzen von Rippen oder beispielsweise
Funktionsflächen bei sehr geringen Herstelltoleranzen.
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Ein
erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil, insbesondere
ein Querträger für eine Karosserie eines Personenkraftwagens,
mit zumindest einem Kernelement, welches mit Fasern umflochten und
mit einem Kunststoff versehen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass
das mit den Fasern umflochtene Kernelement mit einem in einem Spritzgießverfahren
umspritzten Kunststoff versehen ist. Damit gehen alle im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen
Vorteile einher, nämlich dass mittels des Kunststoffs Funktionselemente
wie Befestigungsvorrichtungen, Haken, Klipse oder Gewindeöffnungen
oder Funktionsflächen oder dergleichen realisierbar sind.
Damit wird der Funktionserfüllungsumfang des Faserverbundbauteils
gesteigert, da es unaufwändig an die Karosserie des Personenkraftwagens
oder umgebende Bauteile befestigbar beziehungsweise am Faserverbundbauteil
selbst anderweitige Bauteile befestigbar sind.
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Zusätzliche
Funktionselemente, insbesondere Befestigungsvorrichtungen, sind
dadurch vermeidbar, was mit einer Reduzierung der Teileanzahl und mit
einer Reduzierung der Kosten für das Faserverbundbauteil
einhergeht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die Vermeidung
von zusätzlichen Funktionselementen auch das Gewicht des
Faserverbundbauteils gering gehalten werden kann. Gleichzeitig weist
es alle im Zusammenhang mit Faserverbundbauteilen bekannten Vorteile
auf, nämlich die eines geringen spezifischen Gewichts bei
gleichzeitig sehr gutem Unfallverhalten in Folge einer hohen Steifigkeit
und Festigkeit und eines großen Potentials der Absorption
von Aufprallenergie im Falle eines Unfalls.
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Vorteilhafterweise
ist zumindest ein Energie absorbierendes Element, insbesondere zumindest eine
Crashbox, mittels der Umflechtung integriert. Einerseits bedeutet
dies eine weitere Reduzierung des Gewichts aufgrund einer Vermeidung
von zusätzlichen Befestigungselementen zwischen dem Faserverbundbauteil
und dem Energie absorbierenden Element, wodurch auch die Teileanzahl
und damit Herstellungskosten reduziert werden. Andererseits wird
dadurch eine weitere Verbesserung des Unfallverhaltens herbeigeführt,
da das Energie absorbierende Element ein besonders hohes Potential
aufweist, die Aufprallenergie in Verformungsenergie umzuwandeln,
was die Sicherheit von Insassen eines Personenkraftwagens mit einem
derartigen Faserverbundbauteil erhöht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform des Faserverbundbauteils
ist in das Kernelement ein Einsatz, insbesondere eine Gewindebuchse,
integriert, mittels welcher beispielsweise eine Abschleppöse
für den Personenkraftwagen aufnehmbar ist. Ein Einsatz eines
umflochtenen Kernelements bietet dabei die Möglichkeit,
diese Gewindebuchse zu integrieren und kraftschlüssig zu
umflechten. Auch dies bedeutet eine Reduzierung der Teileanzahl
und damit eine Reduzierung der Herstellkosten sowie eine Reduzierung
des Gesamtgewichts des Faserverbundbauteils, da zusätzliche
Befestigungselemente obsolet sind.
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Weist
die Gewindebuchse zumindest bereichsweise eine wellenförmige
Außenkontur auf, so ist dadurch eine besonders große
und konturierte Oberfläche der Gewindebuchse geschaffen,
welche somit eine besonders feste Verbindung mit dem Kernelement,
das beispielsweise aus einem Metall- oder Hartschaum gebildet ist,
eingeht. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn über
die Gewindebuchse hohe Kräfte in das Kernelement eingeleitet
werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung einer Abschleppöse
der Fall ist. Ein Auslösen der Gewindebuchse aus dem Kernelement
und damit eine Zerstörung des Kernelements und damit des
gesamten Faserverbundbauteils wird durch diese vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung vermieden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten
Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in den jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Radialflechtmaschine mit einem Mehrachsroboter
zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundbauteils,
bei welchem ein Kernelement mit Fasern umflochten wird, wobei die
Radialflechtmaschine ein so genanntes Flechtauge aufweist, welches
abschnittsweise in einer vergrößerten perspektivischen
Ansicht dargestellt ist, gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Querträgers einer Karosserie
eines Personenkraftwagens gemäß dem Stand der
Technik,
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3 eine
schematische Ansicht einer Anlage zur Durchführung eines
Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei welchem
ein Kernelement mit Fasern umflochten und in einem Spritzgießverfahren
mit einem Kunststoff umspritzt wird,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Faserverbundbauteils in Form eines
Querträgers, welcher in einer Anlage mit einem Verfahren
gemäß 3 hergestellt ist,
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5 drei
unterschiedliche Ausführungsformen eines Kernelements eines
Faserverbundbauteils in Form eines Querträgers für
eine Karosserie eines Personenkraftwagens in je einer schematischen Draufsicht,
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6 abschnittsweise
eine Draufsicht auf ein Faserverbundbauteil in Form eines Querträgers für
eine Karosserie eines Personenkraftwagens,
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7 eine
schematische Längsschnittansicht eines Einsatzes in Form
einer Gewindebuchse,
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8 vier
unterschiedliche Ausführungsformen von mittels eines Umflechtungsprozesses
hergestellten Geflechten in je einer perspektivischen Ansicht und
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9 eine schematische Darstellung eines Core-Back-Expansion-Moulding-Verfahrens.
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Während
die 1 eine Radialflechtmaschine gemäß dem
Stand der Technik zeigt, mittels welcher ein Faserverbundbauteil
herstellbar ist, zeigt die 2 einen
Querträger einer Karosserie eines Personenkraftwagens aus
Aluminium gemäß dem Stand der Technik. Die 3 zeigt
eine Anlage zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches
einen höheren Funktionserfüllungsumfang aufweist.
Die 4 bis 8 zeigen mögliche Ausführungsformen eines
Faserverbundbauteils beziehungsweise derer Kernelemente, welches
in einer Anlage gemäß 3 herstellbar
ist beziehungsweise welche bei der Herstellung eines derartigen
Faserverbundbauteils Verwendung finden können.
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Die 9 zeigt ein mögliches Herstellungsverfahren
für ein Kernelement, welches beispielsweise als Kennelement
gemäß den vorhergehenden Figuren einsetzbar ist.
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Die 1 zeigt
eine Radialflechtmaschine 10, mittels welcher ein Faserverbundbauteil 16 herstellbar
ist. Dabei wird ein Kern mittels eines Mehrachsroboters 12 durch
ein Flechtauge 14 der Radialflechtmaschine 10 geführt
und mit von einem Außenteil 18 der Radialflechtmaschine 10 zugeführten
Fasern umflochten. Durch eine Variierung der Durchzugsgeschwindigkeit
des Kerns lässt sich der Fadenwinkel variieren. Zur Aushärtung
der Fasern werden die Fasern mit einer duroplastischen Matrixstruktur versehen,
was entweder durch Vorimprägnierung der Fasern vor dem
Umflechtungsprozess oder nach dem Umflechtungsprozess geschieht.
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Die 2 zeigt
einen Querträger 20, welcher aus einem Aluminium-Strangpressprofil
gebildet ist. Der Querträger 20 weist eine Funktionsfläche 22 auf, welche
durch Abfräsen gebildet und mit Durchgangsöffnungen
versehen ist. Das Abfräsen bedeutet dabei einen Arbeitsschritt,
der eine Herstellungszeit des Querträgers 20 und
damit Herstellkosten erhöht.
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Die 3 zeigt
eine Anlage 30 zur Durchführung eines Verfahrens
zur Herstellung eines Faserverbundbauteils beispielsweise in Form
eines Querträgers.
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Ein
Kernelement 38 wird von einem Mehrachsroboter 44 und
einem Mehrachsroboter 46 zusammen durch ein Flechtauge
einer Radialflechtmaschine 48 geführt. Das Kernelement 38 wird
dabei mit Fasern umflochten. Des Weiteren werden in Längserstreckungsrichtung
Stahllitzen axial eingezogen, um eine Verbesserung eines Unfallverhaltens
des herzustellenden Faserverbundbauteils, das beispielsweise als
ein Querträger eines Stoßfängers eines
Personenkraftwagens ausgebildet ist, herbeizuführen. Die
Stahllitzen werden dabei über eine Stahllitzenzufuhr 50 zugeführt
und verarbeitet. Die Stahllitzen können dabei mit Polyamid
ummantelt sein, wobei eine Struktur aus dem Kernelement 38,
den Stahllitzen und den Fasern, mit denen das Kernelement 38 umflochten
ist, mittels Infrarotstrahlern 52 erwärmt wird.
Dadurch schmilzt die Polyamid-Ummantelung der Stahllitzen auf, wodurch
eine Vorkonsolidierung erreicht ist.
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Ein
Cutter 54 durchtrennt nach Beendigung des Umflechtungsprozesses
die Fasern. Während des Umflechtungsprozesses verbringt
ein weiterer Mehrachsroboter 56 ein bereits umflochtenes
und mit Stahllitzen versehenes Kernelement, welches somit ein Halbzeug 40 darstellt,
in ein Spritzgießwerkzeug 58, in welcher das Halbzeug 40 mit
einem Thermoplasten, beispielsweise Polyamid umspritzt wird. Durch
die Umspritzung wird einerseits eine die Fasern und die Stahllitzen
fixierende Matrix in Form des Thermoplasten aufgebracht, als auch
Funktionselemente wie Befestigungsvorrichtungen und Durchgangsöffnungen
am Halbzeug 40 ausgebildet und so ein Faserverbundbauteil
beispielsweise in Form eines Querträgers mit einem hohen
Funktionserfüllungsumfang gebildet. Richtungspfeile 61 und 62 deuten
dabei an, dass eine Schließbewegung des Spritzgießwerkzeugs 58 erfolgt.
Nach Beendigung des Spritzgießprozesses wird das fertige
Faserverbundbauteil gemäß einem Richtungspfeil 60 entnommen,
was nicht näher dargestellt ist.
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Ist
der Umflechtungsprozess des Kernelements 38 abgeschlossen,
so wird ein gefertigtes Halbzeug dem nun freien Mehrachsroboter 56 vom Mehrachsroboter 46 übergeben,
währenddessen gleichzeitig ein neues Kernelement 36 von
einem Mehrachsroboter 42 dem Mehrachsroboter 44 übergeben
wird und ein neuer Umflechtungsprozess gestartet wird.
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Der
Mehrachsroboter 42 nimmt dabei neue Kernelemente aus einem
Kernemagazin 32, in welchem eine Mehrzahl an Kernelementen 34 gelagert ist.
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Wie
der 3 deutlich zu entnehmen ist, wird durch die Anlage 30 ein
Verfahren ermöglicht, welches einen integrierten Prozess
einer kontinuierlichen Herstellung eines Faserverbundbauteils durch einen
Umflechtungsprozess und einen direkt nachgelagerten Spritzgießprozess
ermöglicht. Dadurch ist ein Faserverbundbauteil wirtschaftlich
herstellbar, welches axiale Metallelemente in Form der Stahllitzen
zur unidirektionalen Verstärkung aufweist zur Verbesserung
eines Energieaufnahmepotentials im Falle eines Unfalls eines Personenkraftwagens
mit einer Karosserie mit einem derartigen Verbundbauteil.
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Der
Spritzgießprozess erfolgt dabei in einem Niederdruckverfahren
bei einem Druck zwischen 100 und 600 bar, wodurch eine Beschädigung
des Kernelements des Halbzeugs 40 vermieden wird. Dies
ist darin begründet, dass das Kernelement in der Regel aus
einem Schaum gebildet ist, dessen Drucksteifigkeit maximal 200 bar
Druck aushält, oder dass das Kernelement aus einem dünnwandigen
Aluminium-Hohlkörper gebildet ist, dessen Drucksteifigkeit inklusive
einer Faserstruktur maximal 600 bar Druck aushalten.
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Ein
besonders vorteilhafter Aspekt ist, dass neben der Vorkonsolidierung
durch eine Wärmequelle in Form von Infrarotstrahlern 52 auch
eine Nachkonsolidierung im Spritzgießwerkzeug 58 erfolgt,
wodurch ein besonders fester Verbund aus Stahllitzen, Fasern und
Kernelement realisiert ist.
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Die 4 zeigt
einen Schaumkern 7, wie er beispielsweise als Kernelement 36 beziehungsweise 38 gemäß 3 zum
Einsatz kommt. Das Bezugszeichen 71 bezeichnet dabei den
mit Fasern umflochtenen Schaumkern 70, wobei wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben
auch Stahllitzen in Längserstreckungsrichtung des Schaumkerns 70 in
ein durch die Fasern gebildetes Geflecht 73 eingezogen
sind. Das Bezugszeichen 75 bezeichnet eine Querschnittsansicht
des umflochtenen Schaumkerns 71, in welcher der Schaumkern 70 sowie
eine Stahllitze 74 und das Geflecht 73 zu sehen
sind.
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Die 5 zeigt
ein Kernelement 80, welches als dünnwandiges Schaum-Hohlprofil
ausgebildet ist. Das Kernelement 80 stellt dabei lediglich
einen Querträger dar. An den jeweiligen Endabschnitten
des Kernelements 80 sind Aufnahmezapfen 81 und 82 vorgesehen.
Der Vorteil der Aufnahmezapfen 81 und 82 wird
in Zusammenschau mit 3 deutlich, da mittels den Aufnahmezapfen 81 und 82 das
Kernelement 80 durch das Flechtauge der Radialflechtmaschine 48 mittels
den Mehrachsrobotern 44 und 46 geführt
werden kann, wodurch ein häufiges Greifen beziehungsweise
Loslassen des Kernelements 80 bei einer mehrlagigen Umflechtung
vermieden wird.
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Des
Weiteren zeigt die 5 ein Kernelement 84 welches
ein geschäumtes Bauteil mit Metalleinleger darstellt. Wie
zu sehen ist, weist das Kernelement 84 Crashboxen 85 und 86 auf,
die in das Kernelement 84 integriert und mit diesem einstückig ausgebildet
sind. Des Weiteren ist in das Kernelement 84 ein Einsatz
in Form einer Gewindebuchse 88 integriert, mittels welcher
beispielsweise eine Abschleppöse aufnehmbar ist. Wie auch
das Kernelement 80 stellt das Kernelement 84 einen
Querträger für eine Karosserie eines Personenkraftwagens
dar.
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Des
Weiteren zeigt die 5 ein Kernelement 90,
welches wie die Kernelemente 80 und 84 einen Querträger
für eine Karosserie eines Personenkraftwagens darstellt.
Das Kernelement 90 weist Positionierzapfen 91 und 92 auf,
mittels welchen Crashboxen 94 und 96 am Kernelement 90 positionierbar und
mit diesem verbindbar sind. Eine Fügerichtung der Crashboxen 94 und 96 ist
dabei durch Richtungspfeile 98 und 100 dargestellt.
Alle in der 5 dargestellten Kernelemente 80, 84 und 90 sind,
wie bereits angedeutet, als dünnwandiges Schaumprofil und/oder
als Hohlprofil ausgebildet.
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Die
Crashboxen 94 und 96 sind dabei beispielsweise
als Kernschaum- beziehungsweise Metallhohlkörperbleche
ausgebildet.
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Die 6 zeigt
ein Kernelement 110, welches an einem Endabschnitt 112 einen
Greiferaufnahmezapfen 114 aufweist, mittels welchem das Kernelement 110 mit
den im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Vorteilen durch
eine Radialflechtmaschine gemäß 3 mittels
eines Mehrachsroboters führbar ist.
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Die 7 verdeutlicht
den im Zusammenhang mit der 5 beschriebenen
Aspekt, in ein Kernelement eine Gewindebuchse zu integrieren. Wie
zu sehen ist, weist eine derartige in ein Kernelement integrierbare
Gewindebuchse 120 idealerweise eine wellige Außenkontur 122 auf,
mittels welcher die Gewindebuchse 120 eine besonders feste
Verbindung mit dem jeweiligen umgebenden Kernelement, beispielsweise
aus einem sich an diese Wellenkontur 122 anschmiegenden
Schaum ausgebildet ist, eingeht.
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Die 8 zeigt
unterschiedliche Ausführungsformen von Geflechten 130, 140, 150 und 160, welche
mittels einer Radialflechtmaschine beispielsweise gemäß 3 in
einem Umflechtungsprozess von Kernen herstellbar sind.
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Die 9 zeigt gemäß Darstellung
A einen ersten Schritt eines Core-Back-Expansion-Moulding-Verfahrens
zur Herstellung eines Kernelements, wie es beispielsweise als Kernelement
gemäß den vorhergehenden Figuren einsetzbar ist.
Dabei wird mittels einer Dosiereinrichtung 200 eine mit
einem Treibmittel, beispielsweise in Form von Kohlenstoffdioxid,
Stickstoff oder Ähnlichem, versetzte Kunststoffschmelze 202 in
eine Kavität 204 einer Form 206 eingeleitet.
Ein Werkzeug 205 einer Spritzgießanlage zur Durchführung
des Core-Back-Expansion-Moulding-Verfahrens befindet sich dabei
in seiner vollständig geschlossenen Stellung.
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In
einem anschließenden Verfahrensschritt gemäß Darstellung
B wird das Werkzeug 205 ein Stück weit um einen
Weg s geöffnet, wodurch die Kunststoffschmelze 202 gegen
Wandungen des Werkzeugs 205 und der Form 206 expandiert.
Die Expansion geschieht dabei in Folge des erwähnten Treibmittels,
wodurch die Kunststoffschmelze 202 zu einem Schaum ausgebildet
wird.
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Diese
Expansion hat zur Folge, dass an den Wandungen eine hohe Dichte
des Schaums existiert, welche zur Mitte der Kavität 204 hin
stets geringer wird.
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Dadurch
ist ein nahezu hohles Kunststoffschaumprofil geschaffen, welches
ein geringes Gewicht mit einer einstellbaren Dichte und damit mit
einer einstellbaren Festigkeit bei einem geringen Materialeinsatz
aufweist, was geringe Kosten des Verfahrens zur Folge hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004017311
A1 [0004]