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Die Erfindung betrifft ein Formteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere eines Formteils für ein Kraftfahrzeug, wie ein Armaturenbrett, eine Türverkleidung oder eine Mittelkonsole. Ein derartiges Formteil ist aus der
US 5 476 618 A bekannt.
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In der Automobiltechnologie ist es bekannt, Bleche, Träger und andere Bauteile mit Hart- und Weichschäumen zu überformen, beispielsweise mit PU (Polyurethan)-Schaum und EPP (expandierten Polypropylen). Es ist bekannt, Textilien oder andere Deckmaterialien mit PU-Schaum, EPP oder anderen Stoffen zu hinterschäumen und Luftkanäle sowie anderen Funktionen in die Schaumbauteile zu integrieren.
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Die
DE 195 24 111 A1 beschreibt eine Schalttafel für ein Kraftfahrzeug mit einer Trägerplatte und einem darauf befestigten Formkörper, der aus einem von einer Haut abgedeckten Schaumstoff besteht. Der Formkörper ist auf der Trägerplatte lösbar befestigt.
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Die
DE 195 40 228 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von schaumstoffartigen Verbundwerkstoffen aus wenigstens einem Füllstoff auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen oder von Mineralstoffen und wenigstens einem schaumbildenden Bindemittel. Anwendungsbeispiele des Verbundwerkstoffes sind Verpackung-, Füll-, Polster-, Isolier-, Spiel- und Bastelmaterialien.
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Aus der
DE 17 55 559 A ist eine als Aufprallschutz ausgestaltete Tür-Innenverkleidung aus einem Schaumkörper mit integrierten Lüftungskanälen bekannt.
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Aus der
DE 24 08 777 B2 ist eine Instrumententafel für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei ein Blechkörper mit einem Polyurethanschaum überzogen ist, wobei Luftaustrittsdüsen in den Schaumstoff integriert sind.
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Aus der
DE 33 36 934 C2 ist ein Armaturenbrett aus zwei PU-Schaumkörpern mit einem Blech-Trägerteil und einer Dekorfolie aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder PVC (Polyvinylchlorid) bekannt.
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Aus der
DE 34 47 185 C2 ist ein Armaturenbrett für ein Kraftfahrzeug aus zwei faserverstärkten PU-Hartschaum-Formteilen bekannt, wobei eines der Formteile zur Stabilisierung der Karosserie dient und die beiden Formteile gemeinsam einen Querträger und Kanalführungen bilden.
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Die
DE 37 40 687 C2 beschreibt ein Aufprallelement aus einem kugeligen Polystyrol (PS)-Schaumstoff, der mittels eines Polyurethanschaums verbunden ist. Ein Rohrkörper ist in das Aufprallelement integriert.
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Die
DE 38 06 783 C2 beschreibt eine Instrumententafel, wobei mindestens zwei einen Luftführungskanal umschließende schalenförmige Formteile mit unterschiedlichen Arten von Polsterschaum teilweise ausgeschäumt und miteinander verbunden werden.
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Die
DE 38 27 221 A1 beschreibt ein Formpressverfahren zur Herstellung von durch Aufschäumung geformten Erzeugnissen mit eingebetteten Einsatz.
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Die
DE 39 22 973 C2 beschreibt ein Armaturenbrett aus einem Schaumteil aus Polyurethan mit einer Deckschicht aus PVC oder ABS und mit einem eingeschäumten Einsatz in Form eines Hohlteils, das z. B. einen Luftkanal bildet.
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Andere Formteile für Kraftfahrzeuge, die wenigstens ein Schaumbauteil, in der Regel aus Polyurethan, und optional eine Verstärkungsstruktur oder einen anderen Einsatz sowie eine Oberflächenschicht aufweisen, sind beschrieben in der
DE 39 36 140 A1 ,
DE 42 32 705 C1 ,
DE 43 02 471 A1 ,
DE 102 57 161 A1 ,
DE 103 04 305 A1 ,
DE 103 59 255 A1 ,
DE 197 53 178 A1 ,
DE 197 80 320 T5 ,
DE 696 27 772 T2 ,
DE 10 2007 042 427 A1 .
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Neben PU-Schäumen ist es in der Automobiltechnik auch bekannt, andere Schaummaterialien, wie expandiertes Polypropylen (EPP) einzusetzen. Dies ist beispielsweise beschrieben in der
DE 102 58 705 A1 ,
DE 196 20 921 A1 oder
DE 196 46 746 A1 , die einen Aufprallschutz in einem Kraftfahrzeug betreffen. Während für Armaturenbretter und ähnliche Sichtteile in einem Kraftfahrzeug heute in der Regel PU-Schäume eingesetzt werden, kommt expandiertes Polyolefin, wie EPP, vorzugsweise in Bereichen zum Einsatz, die dem Aufprallschutz dienen und für Fahrer und Passagiere nicht einsehbar sind, z. B. für den Aufprallschutz im Kniebereich oder in der A-Säule des Fahrzeugs, wobei dieser Aufprallschutz hinter sichtbaren Spritzguss-Verkleidungsteilen verborgen ist.
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Aus der
EP 2 151 470 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Polypropylengranulat sowie ein Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus einem solchen Granulat bekannt, die in der Automobiltechnik eingesetzt werden können.
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Aus der
EP 1 987 934 A2 ist ein geschäumter Gegenstand aus EPP mit einer Deckhaut aus Polypropylen bekannt, wobei die Polypropylen-Haut und der Polypropylen-Schaumkörper beim Schäumvorgang miteinander verschmolzen werden.
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EPP-Schaum-Formteile werden im Stand der Technik somit auch im Automobilbereich eingesetzt, jedoch in der Regel nicht für Sichtteile verwendet. Sie benötigen, wie andere Formteile, spezielle Mittel für die Positionierung und Montage an der Fahrzeugkarosserie. So ist es bekannt, EPP-Schaum-Formteile mit Trägerbauteilen flächig zu verkleben, oder Befestigungselemente, wie Kunststoffschrauben oder Stifte, an den Formteilen anzubringen, beispielsweise wiederum durch Kleben. Die bekannten Formteile haben den Nachteil, dass sie für ihre Positionierung und Montage mit zusätzlichen Strukturen versehen werden müssen, die die Montage aufwendig machen und dazu führen, dass am Ende der Lebensdauer des Formteils bzw. des Fahrzeugs, Formkörper, Befestigungsstrukturen und andere Einsätze zunächst aufwendig getrennt werden müssen, bevor das Material gegebenenfalls recycelt werden kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Formteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils, insbesondere eines Formteils für ein Kraftfahrzeug, wie ein Armaturenbrett, eine Türverkleidung oder eine Mittelkonsole, anzugeben, die einem effektiven Recycling besser zugänglich sind als die Formteile des Standes der Technik.
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Diese Aufgabe wird durch ein Formteil mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Formteil umfasst einen Einsatz und einen Schaumkörper. Der Schaumkörper definiert eine dreidimensionale Sichtfläche des Formteils und umgibt den Einsatz zumindest teilweise, wobei der Einsatz derart ausgestaltet ist, dass er den Schaumkörper mechanisch stabilisiert. Der Einsatz kann z. B. eine Versteifungsstruktur, einen Luftkanal und/oder eine Befestigungsstruktur des Formteils umfassen. Der Einsatz ist aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt, und auch der Schaumkörper besteht aus einem thermoplastischen Polymer der im Wesentlichen gleichen Sorte. Genauer ist der Schaumkörper aus einem expandierten thermoplastischen Polymergranulat hergestellt. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bestehen sämtliche Komponenten des Formteils aus einem thermoplastischen Polymer der gleichen Sorte, insbesondere aus dem gleichen Polyolefin (TPO) und noch spezieller aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polybuten (PB), so dass sie ohne vorherige Trennung, in Kombination recyclingfähig sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht der Schaumkörper aus einem biologisch zersetzbaren Polymer, wie Polyactid (PLA), wobei auch in diesem Fall Einsatz und Schaumkörper ohne vorherige Trennung, in Kombination recyclingfähig sind.
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Polymere der im Wesentlichen gleichen Sorte sind Polymere derselben Hauptkomponente, z. B. PP, PE, PB, PS, wobei die Materialien in den einzelnen Komponenten jedoch individuell Zusätze, wie Verstärkungsfasern oder andere Verstärkungsstoffe, Treibmittel, Polymerisations-Katalysatoren, Copolymere, Kohlenstoff, Farbstoffe und dergleichen, in einem Anteil von höchstens 35 Gew.-%, besser höchstens 20 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 10 Gew.-%, noch stärker bevorzugt höchstens 5 Gew.-% und nochmals stärker bevorzugt höchstens 2 Gew.-% haben können. Mögliche Additive sind weiterhin beispielsweise Gleitmittel, Antiblockmittel, Trennmittel, Stabilisatoren, Antistatika, leitfähige Zusatzstoffe, Flammschutzmittel, Flexibilisatoren, Weichmacher, Haftvermittler, Verstärkungsmittel und Mischungen davon. Weiterhin können noch Synthese-Hilfsstoffe wie Katalysatoren, Emulgatoren, Fällmittel, Härter und/oder Beschleuniger in dem verwendeten Kunststoff enthalten sein.
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Der expandierte Kunststoff, aus dem der Schaumkörper hergestellt ist, weist bevorzugt eine Dichte von weniger als 100 kg/m3 und in der Regel mehr als 20 kg/m3 auf Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die Dichte des expandierten Kunststoffs in einem Bereich von 30 bis 90 kg/m3. Weiter bevorzugt beträgt die Dichte des Kunststoffs 30 bis 60 kg/m3. Die Dichte des Einsatzes beträgt vorzugsweise 0,9 bis 1,3 kg/dm3.
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Für die Herstellung des Schaumkörpers können die thermoplastischen Kunststoffmaterialien unter Zugabe von Treibmitteln, wie z. B. Kohlenwasserstoffen, beispielsweise durch Suspensions(Perl)-Polymerisation mit einer Granulatgrösse von beispielsweise 0,2 bis 0,3 mm, und unter Verwendung von Wasserdampf bei Temperaturen von 80°C bis 110°C vorgeschäumt werden, wobei ein Schaumgranulat erhalten wird. Hierzu können diskontinuierlich oder kontinuierlich arbeitende Vorschäumer verwendet werden. Der in die Zellwände diffundierende Wasserdampf unterstützt dabei den Schäumvorgang. Die vorgeschäumten losen Schaumperlen des Granulats können dann in die Werkzeughöhlung für das Formteil, beispielsweise ein Werkzeug zur Schaumpartikelverarbeitung mit Dampfdüsen, Füllsystem, Crackspalt, etc., mit gasdurchlässigen Wänden eingebracht werden, wobei die in der Granulatschüttung verbliebene Luft unter Anlegen eines Vakuums entfernt werden kann. Unter Energiezufuhr, beispielsweise in der Form von Wasserdampf, gegebenenfalls mit Hochfrequenzanregung, kann das Granulat dann bei 100 bis 160C und 0,5 bis zu 5 bar erweicht werden. Hierbei wird der Dampfdruck des Resttreibmittels erhöht, so dass das Granulat weiter expandiert und dabei verschweißt.
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Das auf diese Weise hergestellte Formteil ist überraschend formstabil und weist auch sehr gute akustische Eigenschaften, d. h. gute Schalldämpfungs- und/oder Schalldämmungseigenschaften, sowie hervorragende mechanische Eigenschaften, d. h. insbesondere gute Formstabilität, gute Schlagzähigkeit, gute Bauteilsteifigkeit und gute Aufprallenergieaufnahme, auf.
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Wie oben erläutert ist die Kombination aus Schaumkörper und Einsatz vollständig recyclingfähig. Im Kontext dieser Anmeldung bedeutet „recyclingfähig”, dass das Formteil, ohne Trennung in seine Bestandteile (z. B. Schaumkörper und Einsatz), zu einem Sekundärrohstoff verarbeitet werden kann, der dem ursprünglichen Ausgangsmaterial im Wesentlichen entspricht. So kann beispielsweise erfindungsgemäß ein gebrauchtes Formteil mit einem Schaumkörper aus EPP und einem Einsatz aus PP, der durch Extrudieren oder Spritzgießen hergestellt ist, ohne Trennung in seine Bestandteile, gegebenenfalls nach Reinigung des Kunststoffmaterials, granuliert werden. Das Granulat kann vollständig oder zumindest teilweise als Zumischung bei der Neuherstellung von Formteilen wieder verwendet werden. Selbstverständlich kann das aus gebrauchten Formteilen gewonnene Granulat auch zur Herstellung andere Produkte verwendet werden. In dem zweiten Aspekt der Erfindung, gemäß dem der Schaumkörper aus expandiertem PLA hergestellt ist, kann zunächst das PLA mit Hilfe eines Katalysators biologisch zersetzt werden, und anschließend werden die zurückbleibende Oberflächenschicht und der Einsatz auf ähnliche Weise wieder aufbereitet wie das gesamte Formteil der ersten Ausführungsvariante. Auch hierfür müssen Schaumkörper und Einsatz nicht mechanisch getrennt werden. Die Verwendung von PLA hat den zusätzlichen Vorteil, dass dieses Material biokompatibel ist.
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Erfindungsgemäß ist der Einsatz vorzugsweise an den Schaumkörper angeschäumt oder in den Schaumkörper eingeschäumt, wobei der Einsatz Öffnungen aufweist, welche von dem Material des Schaumkörpers teilweise oder vollständig durchdrungen werden.
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Der Einsatz dient vorzugsweise als eine Montageplattform mit integrierten Befestigungselementen und wenigstens einer Verstärkungsstruktur. Der Einsatz kann optional als einem Luftführungs- und/oder Filmscharnierbauteil dienen. In das Formteil kann auch ein Raum für eine Handschuhfach integriert sein, wobei der Einsatz ein zugehöriges Scharnier für die Handschuhfachklappe aufweisen kann. Durch Integration von Befestigungselementen und weiteren Funktionen in den Einsatz kann die Erfindung eine höhere Abmessungsstabilität des Formteils und eine Positionierung von Formteil und integrierten Funktionsbauteilen mit geringeren Toleranzen erzielen. Der Einsatz kann auch ein oder mehrere Filmscharniere aufweisen. Vorzugsweise werden alle notwendigen Befestigungselemente für das Formteil in den Einsatz integriert, wobei der Einsatz ein- oder mehrteilig aufgebaut sein kann. Ferner ist der Einsatz vorzugsweise so ausgelegt, dass er dem Schaumkörper die notwendige Festigkeit bei Aufprall von Lasten verleiht. Die Verstärkung des Schaumkörpers durch den Einsatz kann lokal unterschiedlich und an die Anforderungen bei einem Aufprall oder Schlag auf den Formkörper angepasst sein. Der Einsatz verleiht dem Formteil eine erhöhte Festigkeit bzw. ermöglicht die Verwendung eines Formteils mit geringerem Volumen bei gegebenen Anforderungen an die Festigkeit. Das expandierte Schaumgranulatmaterial hat ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf die Absorption von Aufprallenergie, wenn beispielsweise ein Knie oder der Kopf eines Passagiers auf den Formkörper auftrifft. Daher kann der Formkörper sich in einem Kraftfahrzeug bis in die Bereiche erstrecken, die Aufprall-gefährdet sind. In diesen Bereichen wird der Formkörper vorzugsweise mit erhöhter Festigkeit und Energieabsorptionsfähigkeit ausgestaltet, indem z. B. der Einsatz verstärkt und/oder der Schaukörper verdickt wird.
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Der Einsatz kann beispielsweise durch Gießen, Spritzgießen, Extrudieren oder Pressen hergestellt sein. Er kann durch Fasern, beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern, verstärkt sein.
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Das Formteil gemäß der Erfindung bildet ein Sichtbauteil im Innenraum des Kraftfahrzeuges. Der geschäumte oder expandierte thermoplastische Kunststoff des Schaumkörpers kann grundsätzlich eine offen-, geschlossen- oder gemischt-zellige Struktur aufweisen. Bei einer offen- oder gemischt-zelligen Struktur ist es bevorzugt, dass das Formteil auf seiner Sichtfläche zusätzlich eine geschlossene Außenhaut oder Oberflächenschicht aufweist, damit Feuchtigkeit und Schmutz nicht aufgenommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kunststoff des Schaumkörpers eine im Wesentlichen oder gänzlich geschlossenzellige Beschaffenheit auf. Die Schäum- bzw. Expansionsbedingungen können so eingestellt werden, dass die gewünschte geschlossen-zellige Beschaffenheit erhalten werden kann.
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Während die Oberfläche des Schaumteils selbst die Sichtfläche bilden kann, weist das Formteil erfindungsgemäß vorzugsweise eine Oberflächenschicht auf. Diese Oberflächenschicht besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem thermoplastischen Polymer der im Wesentlichen gleichen Sorte wie der Einsatz und gegebenenfalls der Schaumkörper. Vorzugsweise wird die Oberflächenschicht bei der Herstellung des Schaumkörpers hinterschäumt. Somit wird auch das ästhetische Erscheinungsbild des Formkörpers in den einheitlichen Herstellungsprozess integriert.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Einsatz aus einem thermoplastischen Polymer herstellt, dieser Einsatz wird in einer Form positioniert, die Form wird geschlossen, und ein thermoplastisches Polymergranulat wird in den verbleibenden Hohlraum der Form gefüllt und expandiert, um den Schaumkörper zu bilden. Dabei wird der Einsatz wenigstens teilweise umschäumt und innig mit dem Schaumkörper verbunden, wodurch der Schaumkörper mechanisch stabilisiert wird. Durch den Schäumvorgang erhält auch die Oberflächenschicht ihre dreidimensionale Gestalt. Der Schaumkörper und der Einsatz bestehen aus einem thermoplastischen Polymer der im Wesentlichen gleichen Sorte, so dass sie in Kombination zu einem Sekundärrohstoff der gleichen Sorte recycelt werden können. Alternativ wird für den Schaumkörper ein expandiertes PLA-Granulat verwendet.
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Erfindungsgemäß ist das verwendete Polymer vorzugsweise Polypropylen, und der Schaumkörper besteht vorzugsweise aus expandiertem Polypropylen-Granulat, wobei auch andere Polymersorten verwendbar sind. Für die Expansion des Granulats wird diesem Wasserdampf bei erhöhtem Druck zugeführt, beispielsweise Dampf mit einem Sättigungsdampfdruck von 0,4 MPa oder weniger, bei einer Temperatur von 110°C bis 160°C. Beispiele für die Herstellung und Verarbeitung von EPP, das für das erfindungsgemäße Formteil verwendet werden kann, sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung bekannt und beispielsweise in der
EP 1 987 934 A2 und der
EP 2 151 470 A1 beschrieben. Ein für die Erfindung geeignetes EPP-Granulat ist beispielsweise von den Unternehmen BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland; FAGERDALA World Foams AB, Gustavsberg, Schweden; UNIDEK Gefinex GmbH, Steinhagen, Deutschland; und der JSP Corporation, Tokyo, Japan, erhältlich.
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Der Schaumvorgang zur Herstellung des Schaumkörpers wird derart kontrolliert, dass das Material des Schaumkörpers den Einsatz wenigstens teilweise durchdringt, um die beiden innig zu verbinden.
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In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird in einem einzelnen einheitlichen Schäumvorgang der Schaumkörper hergestellt und eine Oberflächenschicht mit dem Schaumkörper hinterschäumt. Hierzu wird die Oberflächenschicht, beispielsweise ein Textil oder eine Folie auf Polypropylen (PP)-Basis in die Form eingelegt, der Einsatz wird in der Form positioniert, die Form wird geschlossen und das vorgeschäumte Polypropylen-Granulat wird in den verbleibenden Hohlraum der Form gefüllt. Durch Zufuhr von Dampf, also Wärme und Druck, wird das EPP-Granulat expandiert, so dass es sämtliche Hohlräume füllt, sich mit dem Einsatz innig verbindet und mit der Rückseite der Oberflächenschicht verschmilzt. Der Einsatz ist daher vorzugsweise so mit mehreren Öffnungen versehen, dass der Schaum möglichst von mehreren Seiten den Einsatz durchdringen kann. Dieses Verfahren ist für andere Materialien analog anwendbar, insbesondere für einen biologisch zersetzbaren (biodegradable) Schaumstoff, wie PLA.
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Die Erfindung schafft ein Formteil und Verfahren zu dessen Herstellung, mit einem hohen Integrationsgrad, das leicht und formstabil sowie einfach herzustellen und ohne vorherige Demontage vollständig recycelbar ist.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Formteil gemäß der Erfindung;
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2 eine Außenansicht des Formteils der 1;
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3 eine Schnittdarstellung durch den Einsatz vor seiner Integration in den Schaumkörper des Formteils der 1;
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4 eine Schnittdarstellung durch ein Formteil gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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5 schematische Schnittdarstellungen durch verschiedene Bereiche des Formteils gemäß der Erfindung;
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6 eine isometrische Darstellung eines Einsatzes für einen Formkörper gemäß der Erfindung in vormontiertem Zustand;
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7 eine isometrische Darstellung des Einsatzes der 6 mit geschlossenen Kanälen;
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8 eine isometrische Darstellung des Einsatzes der 7 mit angeformtem Schaumkörper;
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9 eine isometrische Darstellung eines anderen Einsatzes für einen Formkörper gemäß der Erfindung in vormontiertem Zustand;
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10 eine isometrische Darstellung des Einsatzes der 9 mit geschlossenen Kanälen und angeformtem Schaumkörper;
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11 eine isometrische Darstellung eines Armaturenbretts gemäß der Erfindung, das aus den Formkörpern der 8 und 10 zusammengesetzt ist;
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12 eine isometrische Darstellung des Armaturenbretts der 11 während des Einbaus in ein Kraftfahrzeug; und
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13 eine isometrische Darstellung des Armaturenbretts der 11 in eingebautem Zustand.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Armaturenbrett, das mit einem erfindungsgemäßen Formteil aufgebaut ist. Das Formteil 10 umfasst einen Schaumkörper 12, einen Einsatz 14 und eine Oberflächenschicht 16. Der Schaumkörper 12 ist in der bevorzugten Ausführung aus expandiertem Polypropylen (EPP) ausgehend von einem PP-Granulat oder aus expandiertem Polylactid (PLA) ausgehend von einem PLA-Granulat hergestellt. Der Einsatz besteht gemäß der ersten Variante der Erfindung aus einem Polymer derselben Sorte, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel PP, und kann beispielsweise durch Spritzgießen, Extrudieren, Pressen oder einer Kombination hieraus hergestellt werden. Der Einsatz 14 ist in das Material des Schaumkörpers 12 weitgehend eingebettet, wobei insbesondere Befestigungselemente 20, 22 zugänglich bleiben. In der in 1 gezeigten Ausführung umfasst der Einsatz 14 neben dem Befestigungselementen 20, 22 einen Luftkanal 18, beispielsweise für eine Klimaanlage, und eine Verstärkungsstruktur in wenigstens einem Bereich, in dem erhöhte Bruchgefahr besteht, weil beispielsweise Körperteile eines Passagiers auftreffen können. Dieser Bereich ist in 1 schematisch durch einen Kopfaufprall 34 dargestellt.
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Der Einsatz 14 weist Öffnungen 28 auf, in die das Material des Schaumkörpers 12 eindringt, um eine innige Verbindung zwischen dem Schaumkörper 12 und dem Einsatz 14 herzustellen. In der gezeigten Ausführung dienen die Befestigungselemente 20 für die Verbindung mit Strukturträgern 24, und das Befestigungselement 22 dient der Anbindung einer elektrischen Verkabelung 26. Der Luftkanal 18 wird dadurch gebildet, dass ein Teil des Einsatzes um ein Filmscharnier 30 verschwenkt und mittels eines Rasthakens 32 an dem anderen Teil des Einsatzes verriegelt wird. Hierzu wird der Rasthaken 32 in einer Ausnehmung 36 aufgenommen. Der Einsatz 14 bildet somit eine Montageplattform, in die sowohl die Befestigungselemente des Formkörpers als auch Luftführungskanäle, Versteifungsstrukturen und dergleichen integriert sind. Dadurch können geringe Toleranzen zwischen dem Formteil und den Komponenten seiner Umgebung, wie Strukturträger, Verkabelungen und dergleichen, gut eingehalten werden.
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Die Oberflächenschicht ist beispielsweise ein Textilgewebe oder eine Folie, die vorzugsweise aus einem Polymer derselben Sorte, also im beschriebenen Ausführungsbeispiel auf Polypropylen-Basis besteht. Es ist jedoch auch möglich, andere Materialien auf Polyolefin-Basis (TPO) zu verwenden. Anstelle einer Folie kann auch eine Slush-Haut, ein Kunstleder oder eine andere Außenhaut verwendet werden.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausgestaltung eines Armaturenbretts, das mit einem erfindungsgemäßen Formteil aufgebaut ist. Entsprechende Teile wie in den 1 bis 3 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals beschrieben. Einzelheiten, wie Befestigungselemente und Rasthaken sind in der Darstellung der 4 nicht gezeigt, können hier aber ebenso vorgesehen sein. Auch hinsichtlich der Materialien und Beschaffenheit des Formteils gilt das oben Gesagte.
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In dem in 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Einsatz 14 so ausgebildet, dass er ein Scharnier 38 für die Klappe 40 eines Handschuhfachs 42 aufweist. Der Schaumkörper 12 weist eine entsprechende Höhlung zur Bildung des Handschuhfachs 42 auf. Weitere Funktionen können in den Einsatz integriert sein. Insgesamt weist das Formteil einen sehr hohen Integrationsgrad auf und bietet sowohl Aufprallschutz als auch Befestigungselemente, Führungen und Kanäle und stellt die optische und haptische Oberfläche des Formteils bereit, die für Fahrer und Passagier zugänglich ist.
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5 zeigt in schematischer Schnittdarstellung verschiedene Bereiche des Formteils der 4, in denen die Knie 44 eines Fahrers sowie die Knie 46 eines Passagiers gegen das Formteil stoßen können. Wie in der 5 zu erkennen, ist der Schaumkörper im Aufprall-gefährdeten Bereich 48 verstärkt. Hier kann sowohl der Schaumkörper eine größere Dicke aufweisen als auch der Einsatz, beispielsweise durch eine Rippenstruktur oder eine andere Art der Versteifung verstärkt sein.
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Die Erfindung schafft ein Formteil, beispielsweise ein Armaturenbrett, eine Seitenverkleidung oder eine Mittelkonsole für ein Kraftfahrzeug, das im Verhältnis zu einem herkömmlichen Formteil – aus einem harten, mit einem Schaumstoff kaschierten Träger – eine erhebliche Gewichtsersparnis von bis zu 40% erreicht. Anders als bei herkömmlichen Formteilen mit harten Trägerbauteilen, die möglicherweise mit einer Schaumschicht kaschiert sind, ist erfindungsgemäß der Schaumkörper das Form gebende Bauteil, das die Sichtfläche des Formteils definiert. Die Gestalt des Formteils wird nicht durch den Einsatz bestimmt, der jedoch sekundäre Funktionen übernimmt, wie Befestigung, Scharniere, Luftführung, Versteifung und dergleichen. Durch Integration einer großen Anzahl von Funktionen in den Einsatz können Formteile für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich mit wesentlich weniger Einzelteilen hergestellt werden. Eine Ersparnis der Teilzahl von 20% bis 50% und möglicherweise darüber hinaus ist möglich. Entsprechend sinkt der Aufwand für Vormontage und Montage des Bauteils. Durch den hybriden Aufbau mit dem Schaumkörper, der eine vergleichsweise weiche Oberfläche bereitstellt, und dem Einsatz, der einen härteren Aufbau hat, kann der erfindungsgemäße Formkörper in Härte und Festigkeit lokal an die Bedürfnisse angepasst werden. In Bereichen, in denen ein Aufprall eines Passagiers wahrscheinlich ist, kann die Festigkeit mittels des Einsatzes erhöht werden. Materialschrumpfung und -verwerfung kann schon im Herstellungsprozess berücksichtigt werden, und es kann insgesamt ein Bauteil geschaffen werden, das eine ausgezeichnete Abmessungsstabilität und sehr geringe Toleranzen in der Lage seiner Einzelkomponenten hat, was wiederum die Montage an der Karosserie sowie relativ zu weiteren externen Komponenten erleichtert.
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Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist das Konzept der Verwendung eines Polymers einer einzelnen Sorte für sämtliche Teile des Formteils 10 bzw. die Verwendung eines PLA-Schaumkörpers sowie die Herstellung und Verbindung des Schaumkörpers 12 mit dem Einsatz 14 und gegebenenfalls der Oberflächenschicht 16 in einem einzigen Arbeitsgang.
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Während bestimmte Komponenten, wie die Airbag-Einheit, nicht komplett in den erfindungsgemäßen Formkörper eingebettet werden sollen, können aber sicherheitsrelevante Teilfunktionen, wie ein im Einsatz integrierter Verstärkungsrahmen des Passagierairbags und/oder zahlreiche andere, weniger sicherheitsrelevante Funktionen, problemlos integriert werden.
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6 und 7 zeigen in isometrischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Einsatzes 54 für einen Formkörper gemäß der Erfindung. Der Einsatz ist bestimmt für die Beifahrerseite eines Armaturenbretts und weist eine Anzahl von Aussparungen 48 für Anzeigen, Einstellfelder, Lüftung, Klimaanlage, Radio/CD-Spieler etc. auf. An seiner Unterseite sind zwei Klappen 50 über Filmscharniere angelenkt, die geschlossen werden, um ein Kanalbauteil oder dergleichen zu bilden. Der Einsatz weist auch eine Aussparung 52 zur Aufnahme einer Airbag-Einheit auf, wobei diese Aussparung von dem anzuformenden Schaumteil explizit ausgenommen ist.
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In 8 ist der Einsatz 54 der 6 und 7 mit angeformten Schaumkörper 56 gezeigt.
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Ein weiterer Einsatz 58 ist in 9 in vormontiertem Zustand dargestellt, bevor über Filmscharniere angelenkte Klappen 60 geschlossen sind. Nach dem Schließen der Klappen 60 – zum Beispiel zur Bildung eines Luftkanals – wird auch an den Einsatz 58 ein Schaumkörper 62 angeformt, der einen weiteren Teil eines Armaturenbretts bilden kann, wie in 10 gezeigt.
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Die beiden in 8 und 10 gezeigten Formteile können miteinander verbunden werden, um ein Armaturenbrett herzustellen, wie in 11 gezeigt. Die 12 und 13 zeigen den Einbau des Armaturenbretts in einen PKW. Es ist erkennbar, dass in den Einsatz zahlreiche Funktionen und Befestigungselemente integriert sind, während der Schaumkörper die Sichtseite des Formteils bildet und einen Aufprallschutz bietet. Die Airbag-Einheit liegt in einem Bereich, in dem der Einsatz nicht von dem Schaumkörper umschlossen ist.
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Durch Verwendung eines Polymers einer einzigen Sorte bzw. die Verwendung eines PLA-Schaumkörpers ist es möglich, den Formkörper am Ende seiner Lebenszeit, ohne mechanische Trennung der einzelnen Komponenten, zu recyceln, um einen Sekundärrohstoff zurück zu gewinnen, der im Wesentlichen dieselben Eigenschaften hat wie der Ausgangswerkstoff.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formteil
- 12
- Schaumkörper
- 14
- Einsatz
- 16
- Oberflächenschicht
- 18
- Luftkanal
- 20
- Befestigungselemente für Strukturträger
- 22
- Befestigungselement für Verkabelung
- 24
- Strukturträger
- 26
- Verkabelung
- 28
- Öffnungen
- 30
- Filmscharnier
- 32
- Rasthaken
- 34
- Kopfaufprall-Bereich
- 36
- Ausnehmung
- 38
- Scharnier
- 40
- Handschuhfachklappe
- 42
- Handschuhfach
- 44
- Knie
- 46
- Knie
- 48
- Aussparungen
- 50
- Klappen
- 52
- Aussparung
- 54
- Einsatz
- 56
- Schaumkörper
- 58
- Einsatz
- 60
- Klappen
- 62
- Schaumkörper
