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Die Erfindung betrifft ein tragendes Außenmodul mit einer Außenbeplankung für eine modular aufgebaute Gehäusekomponente, bei der es sich insbesondere um eine Tür- oder Verkleidungskomponente eines Kraftfahrzeugs handelt, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Außenmoduls
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Modulare Kraftwagentüren bzw. Karosserieverkleidungen weisen in der Regel einen dreiteiligen Aufbau auf und umfassen ein Innenmodul, an welches außenraumseitig ein Außenmodul und innenraumseitig ein Türinnenbelag angebracht ist. Das Außenmodul kann selbsttragend ausgebildet sein, um ein besseres Handling und eine einfachere Montage des Moduls zu erreichen, weist aber üblicherweise keine unmittelbare Tragfunktion der Fahrzeugtür auf.
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Bislang erfüllen die Türinnenverkleidung und die Beplankung des Außenmoduls in erster Linie kaum strukturelle Aufgaben, sondern es dienen in den meisten Fällen ausschließlich die Verstärkungsbereiche des Innenmoduls und des Türrahmens bzw. Außenmoduls als Crashstrukturen. Dabei kann es sich um einen diagonal verlaufenden Seitenaufprallschutz handeln, wie er in der
DE 10 2005 009 179 A1 beschrieben ist. Dort wird eine Kraftwagentür offenbart, die ein geringeres Gewicht aufweist, in der Montage leichter zu handhaben ist und zusätzlich eine höhere Crashstabilität aufweist. Diese Kraftwagentür weist eine dem Außenmodul entsprechende Außenschale mit einer Außenbeplankung und eine Innenschale auf, die durch Türschmalseiten bildende Verstärkungen gebildet ist. An der Innenschale ist innenraumseitig mindestens ein Trägerbauteil für Funktionsbauteile angeordnet. Dabei sind die Türschmalseiten der Innenschale und das Trägerbauteil zu einem einzigen dem Innenmodul entsprechenden Modulbauteil zusammengefasst, das mit einer separaten Türinnenverkleidung versehen ist.
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Die
DE 10 2004 011 250 B3 befasst sich mit der lösbaren Befestigung einer Kunststoffaußenbeplankung am Türrahmen mittels Schienen und Haken. In der Regel wird die Außenbeplankung von Karosseriebauteilen in modernen Kraftwagentüren nicht in die Steigerung der Crashperformance einbezogen und benötigt wegen ihrer geringen Steifigkeit zusätzliche Versteifungselemente. Dazu wird in der
DE 10 2008 034 038 A1 eine besonders gewichtsgünstige und steife Verstärkungsstruktur für eine Seitentür eines Kraftwagens beschrieben. Diese weist ein Türträgerteil für die Türaußenbeplankung und ein Verstärkungselement zur Erhöhung der Beulsteifigkeit der Tür in Hochrichtung zumindest über eine Teilhöhe der Tür auf. Allerdings werden diese Versteifungselemente nachträglich an die Rahmenstruktur des Außenmoduls angebracht. Nötig sind diese, um einerseits die Beulsteifigkeit zur Vermeidung von Bagatellschäden und zur Erzielung einer Class-A-Oberfläche zu verbessern und zudem die Schwingempfindlichkeit der großen Fläche zu verringern, um akustische Effekte wie z. B. Dröhnen zu verhindern.
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Mit einem selbsttragenden Außenmodul, bestehend aus einer auf einen tragenden Rahmen aufgebrachten Beplankung, befasst sich die
DE 10 2007 042 418 A1 . Die Tragstruktur eignet sich für eine einfache Montage der Module, trägt aber nicht als Strukturbauteil zur Steigerung der Crashperformance bei.
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Grundsätzlich ist der modulare Aufbau von Kraftwagentüren eine gängige Methode, um den Handhabungs- und Montageaufwand zu reduzieren. Die Außenbeplankung umfasst hierbei meist nur ein Türaußenblech ohne strukturelle Aufgaben als Bestandteil der Fahrzeugkarosserie.
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Bekannt sind modular aufgebaute Karosserieteile aus der
DE 10 2007 024 163 A1 , bei denen ein aus Kunststoff gefertigtes Beplankungsteil auf einer Tragstruktur aus Stahl oder Leichtmetall angebracht wird. Die Tragstruktur trägt dabei zu einer höheren Steifigkeit und Festigkeit bei und ermöglicht dadurch die Class-A-Oberflächentauglichkeit der Kunststoffbeplankung.
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Aus der
DE 202 20 552 U1 ist eine Kraftfahrzeugtür mit einer Außenbaugruppe und mit einem Aggregateträger bekannt. Die Außenbaugruppe weist eine Türaußenhaut auf und bildet eine äußere Designfläche der Kraftfahrzeugtür und der Aggregateträger ist auf der einem Fahrzeuginnenraum zugeordneten Seite der Außenbaugruppe angeordnet und mit der Außenbaugruppe verbindbar; er trägt elektrische und/oder mechanische Funktionskomponenten der Kraftfahrzeugtür. Die Außenbaugruppe weist im Bereich ihrer äußeren Ränder Verstärkungsbereiche auf, so dass diese eine hinreichende Eigensteifigkeit besitzt und als separates, von dem Aggregateträger unabhängiges Türelement handhabbar ist, das erst in einem abschließenden Montageschritt mit dem Aggregateträger zur Herstellung der kompletten Fahrzeugtür verbunden wird.
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Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein tragendes Außenmodul, das die Außenbeplankung aufweist, zu schaffen, das eine Verbesserung der Crashperformance bietet, akustischen und optischen Anforderungen gerecht wird und zur thermischen Isolierung und Gewichtsreduzierung beiträgt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Außenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den prozessseitigen Ablauf und Aufbau bei der Herstellung eines tragenden mehrschichtigen Außenmoduls, das die Außenbeplankung aufweist, zu verbessern, und kürzere Zykluszeiten und damit höhere Stückzahlen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine modular aufgebaute Gehäusekomponente, in der entsprechend das tragende Außenmodul zum Einsatz kommt wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 offenbart.
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Ein erfindungsgemäßes Außenmodul mit Außenbeplankung für eine modular aufgebaute Gehäusekomponente weist einen Mehrschichtaufbau aus einer thermoplastischen FVK-Innenschale und einer Außenschale mit einer darauf angeordneten Außenhaut auf, die die Außenbeplankung bildet. Die thermoplastische FVK-Innenschale weist auf der von der Außenschale weg weisenden Seite Versteifungselemente auf, wodurch das Außenmodul als tragendes Bauteil ausgebildet wird. Da es sich bei der Gehäusekomponente, für die das Außenmodul vorgesehen ist, um eine modular aufgebaute Tür oder ein Verkleidungsbauteil eines Kraftfahrzeugs handeln kann, kann das Außenmodul beispielsweise in ein modulares Karosserieelement integriert werden und ermöglicht dabei nicht nur eine hohe Designfreiheit und Funktionsintegration sondern auch die Anpassung der crashbeaufschlagten Beplankung auf des Fahrzeugkonzept.
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Zwar ist die Herstellung eines solchen Außenmoduls in einem One-Shot-Verfahren in einem einzigen Werkzeug denkbar, da dort der Ausbringungsfaktor hoher ist, der angibt, wie sich das effektive Schussgewicht, also das in einem Produktionszyklus verbrauchte Material, verglichen mit dem theoretischen Schussgewicht verhält, die Quantität ist aufgrund langer Einzelprozesszeiten jedoch stark eingeschränkt. Ferner bedingt das One-Shot-Verfahren einen hohen technologischen Aufwand.
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Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Außenmoduls mit einer duroplastischen FVK-Außenschale umfasst die Schritte:
- – Zuschneiden einer endlosfaserverstärkten Thermoplastplatte entsprechend der daraus herzustellenden Innenschale,
- – Erwärmen der zugeschnittenen Thermoplastplatte und Vorformen entsprechend einer Innenschalenkontur,
- – Einlegen der vorgeformten Thermoplastplatte in ein Spritzgießwerkzeug und Erzeugen der Versteifungselemente, dabei Erhalten der thermoplastischen FVK-Innenschale,
- – Zuschneiden einer SMC-Platte entsprechend der daraus herzustellenden Außenschale,
- – Vorformen der zugeschnittenen SMC-Platte, dabei Erhalten der duroplastischen FVK-Außenschale,
- – Überfluten der zugeschnittenen SMC-Platte oder der Außenschale auf einer Beplankungsseite mit einem Polyurethan, dabei Erhalten der Außenhaut,
- – Einlegen der duroplastischen FVK-Außenschale mit der darauf angeordneten Außenhaut und der thermoplastischen FVK-Innenschale mit den Versteifungselementen in ein Werkzeug und Verbinden der Außenschale und der Innenschale.
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Das so geschaffene Außenmodul weist eine Class-A-Oberfläche auf. Die Außenhaut kann bereits Farbpigmente aufweisen und damit kann hier bereits ein endfertiges Außenmodul bereitgestellt sein, da jedoch Metallic-Effekte nicht mittels einer solchen IMC-Technik erzeugt werden können, ist das Außenmodul, falls eine Metallic-Lackierung erwünscht ist, noch einem nachfolgenden Lackierprozess zu unterziehen.
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Zwar ist denkbar, dass der Mehrschichtaufbau des Außenmoduls lediglich aus der verbundenen Außen- und Innenschale besteht, vorzugsweise jedoch wird bei der Zusammenführung der Außen- und der Innenschale vor oder während des Verbindens in dem Hohlraum, der zwischen der Außenschale und der Innenschale gebildet wird, ein Strukturkern erzeugt, der durch ein Schaummaterial, insbesondere aus einem Polyurethan oder eine zellulare Schaumstruktur aus einem spritzgegossenen Polyamid und/oder eine Wabenstruktur gebildet wird. Zum Verbinden kann die Außen- und Innenschale und/oder zumindest in einem Randbereich durch Umfalzen, Schweißen, Kleben und/oder Umspritzen des Randbereichs gefügt werden.
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Das Erzeugen der Versteifungselemente an der vorgeformten Thermoplastplatte in dem Spritzgießwerkzeug kann das Hinterspritzen der vorgeformten Thermoplastplatte mit Rippen und/oder direkt das Einbringen von Sicken und/oder welligen Bereichen in die vorgeformte Thermoplastplatte sein. Zum Hinterspritzen der Rippen wird als Spritzkunststoff vorteilhafterweise ein mit dem thermoplastischen Matrixkunststoff der Thermoplastplatte kompatibler Kunststoff ausgewählt werden, damit sich die an die erwärmte Thermoplastplatte angespritzen Rippen stoffschlüssig verbinden. Besonders geeignet kann dazu der thermoplastische Matrixkunststoff als Spritzkunststoff gewählt werden, der eine besonders homogene Anbindung der angespritzten Elemente gestattet.
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Um die an die Innenschale gespritzten Rippen zu stabilisieren, können die zwischen den Rippen bestehenden Zwischenräume ausgeschäumt werden. Zu diesem Zweck ist auch ein Polyurethanmaterial geeignet.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Verformen die endlosfaserverstärkte Thermoplastplatte auf eine Temperatur erwärmt, die zumindest die Glasübergangstemperatur und kleiner als die Schmelztemperatur des Thermoplasten ist. Dazu kann Infrarotstrahlung verwendet werden. Das Vorformen der endlosfaserverstärkten Thermoplastplatte selbst kann dann mittels eines formangepassten Greifers und zwar vorteilhaft zeitsparend während der Überführung der Thermoplastplatte von der Heizeinrichtung in das Spritzgießwerkzeug erfolgen. Der Greifer kann dabei neben einer der Innenschale entsprechenden Formkontur Mittel zum Halten und/oder Formen und/oder definierten Nachführen der Thermoplastplatte während des Formens aufweisen. Dazu kann der Greifer Niederhaltern entsprechende Zylinder aufweisen, die das definierte Nachführen ermöglichen, sowie Führungselemente, die eine positionsgenaue und faltenarme oder faltenfreie Anlage der Thermoplastplatte an der Formkontur des Greifers gestatten. Ferner kann der Greifer Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks zum Halten der Thermoplastplatte wie Vakuumsauger aufweisen.
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Neben den Versteifungselementen können im Spritzgusswerkzeug an die Innenschale zudem Durchbrüche und/oder angespritzte Konturen und/oder Kanten von Randbereichen, Halterungs- und/oder Anbindungselemente zur Anbindung des Außenmoduls an ein Innenmodul der modular aufgebauten Gehäusekomponente erzeugt werden.
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Das Vorformen der SMC-Platte kann mittels Fließpressen erfolgen.
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Die erfindungsgemäß zur Ausbildung der Innenschale verwendete endlosfaserverstärkte Thermoplastplatte kann ein Organoblech sein, das eine Verstärkungsfaseranordnung in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix aufweist. Die Verstärkungsfasern umfassen Kohlefasern, Glasfasern, Polymerfasern, insbesondere Aramidfasern, Keramikfasern, Naturfasern und/oder Metallfasern, insbesondere Stahlfasern, bzw. Kombinationen davon. Bei den Faseranordnungen kann es sich um ein Gelege, ein Gewebe, ein Netz oder ein Gestrick handeln. Als thermoplastischer Matrixkunststoff kann beispielsweise ein Polyamid, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylen mit hoher Dichte gewählt werden.
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Eine erfindungsgemäße modular aufgebaute Gehäusekomponente besteht aus einem Außenmodul, das eine Außenbeplankung für die Gehäusekomponente bildet, und aus einem mit dem Außenmodul verbundenen Innenmodul. Bei der modular aufgebauten Gehäusekomponente kann es sich um eine modular aufgebaute Tür oder ein Verkleidungsbauteil eines Kraftfahrzeugs oder auch eines anderen Gerätes, insbesondere eines Haushaltsgerätes handeln.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer modular aufgebauten Fahrzeugtür mit Außenmodul, Innenmodul und Innenverkleidung,
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2 eine Innenansicht eines Außenmoduls nach Stand der Technik,
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3 schematische Seitenschnittansichten durch zwei Fahrzeugtüren aus verbundenen Außen- und Innenmodulen,
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4 eine Teilquerschnittansicht durch ein Außenmodul,
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5 eine schematische Querschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau des Außenmoduls,
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6 eine perspektivische Innenansicht des Außenmoduls,
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7 eine schematische Querschnittansicht durch eine Fahrzeugtür aus verbundenem Außen- und Innenmodul,
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8 ein Ablaufschema der Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Außenmoduls für eine modular aufgebaute Gehäusekomponente wie beispielsweise eine tragende Karosserie-Außenbeplankung. Eine erfindungsgemäße Karosserie-Außenbeplankung bezieht sich insbesondere auf modular aufgebaute Fahrer-, Beifahrer-, hintere Seiten- und/oder Hecktüren, Dachelemente, Stoßfänger, Kotflügel, Heckklappen, Motorhauben, Motorverkleidungen, Kompressor-/Aggregatabdeckungen; des weiteren sind die erfindungsgemäßen Außenmodule generell für modular aufgebaute Gehäuse geeignet, etwa für Haushaltsgeräte wie Staubsauger.
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Das hierzu beschriebene Außenmodul, beispielhaft in den Figuren ein Fahrzeugtür-Außenmodul 1, hat einen mehrschichtigen Aufbau aus einer thermo- und einer duroplastischen FVK-Deckschicht, Versteifungselementen, die entweder auf die aus einer thermoplastischen FVK-Deckschicht gebildeten Innenschale als Rippen angespritzt oder direkt in diese als Sicken eingebracht werden können, aus einer Kernstruktur und einer im Werkzeug vorgenommenen Oberflächenvorbereitung für eine offene Class-A oder Flächenlackierung der für die duroplastische FVK-Deckschicht, bzw. Außenschale verwendeten SMC-Platte. Die thermoplastische FVK-Deckschicht bzw. Innenschale wird aus einem Organoblech gebildet.
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Mit „SMC-Platte” wird hier ein Faser-Matrix-Halbzeug aus einer plattenförmigen teigartigen Pressmasse bezeichnet, die duroplastische Reaktionsharze und Verstärkungsfasern umfasst, die meist in Mattenform, seltener in Gewebeform mit typischen Faserlängen von 25 bis 50 mm vorliegen. Ferner enthalten SMC-Pressmassen Zusätze zur Reduktion des Schrumpfes, etwa Polyethylen, Styrol und/oder weitere thermoplastische Bestandteile. Neben Reaktionsharz, Verstärkungsfasern und den Zusätzen zur Schwundreduktion enthalten SMC-Massen üblicherweise Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, und können ferner weitere Zusätze wie Reaktionsbeschleuniger, Inhibitoren, Trennmittel, Farbpasten, Flammschutzmittel etc. enthalten. Die SMC-Masse wird in Folienform gepresst und dann zugeschnitten und durch Fließpressen weiterverarbeitet. Dabei können ferner Befestigungselemente in die Pressform eingelegt werden. Dies macht SMC besonders wirtschaftlich. Die Füllstoffe dienen zur Gewichts- und Kostenreduktion. Vorteilhaft können mit einem SMC-Halbzeug, das entsprechende Additive zur Schwundreduktion umfasst, um einen Schrumpf kleiner –0,05% zu erzielen, Class-A-Oberflächen erzeugt werden.
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Unter „Organoblechen” werden plattenförmige endlosfaserverstärkte Thermoplasthalbzeuge verstanden, die für Bauteile mit hohen Festigkeiten und geringem Gewicht eingesetzt werden. Organobleche lassen sich thermoformen und ermöglichen kurze Prozesszyklen und sind außerdem gut schweißbar. Erhältliche Organobleche beispielsweise der Firma TPone, Zeesen, Deutschland, weisen als Verstärkungsfasern Glas-, Kohle- und Aramidfasern auf, als Matrixsysteme werden dort PA6, PA12, PPS, PEEK, PET, PBT, HDPE angeboten.
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Organobleche können dabei aus speziellen Faseranordnungen, die Fasern in definierten Orientierungen aufweisen, eingebettet in der Thermoplastmatrix bestehen. So kann es sich bei den Faseranordnungen um Gewebe, Gelege, Gestricke etc. handeln. Neben den genannten Verstärkungsfasern und Matrixsystemen kommen selbstverständlich auch alle anderen gängigen Verstärkungsfasertypen, z. B. Keramikfaser, Metallfasern, Naturfasern und andere Polymerfasern in Frage; auch können verschiedenartige Verstärkungsfasern in einer Faseranordnung kombiniert sein. Die genannten Matrixsysteme sind nur beispielhaft und in keiner Weise beschränkend zu verstehen.
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So kann das zur Bildung einer Deckschicht verwendete Organoblech beispielsweise Aramidfasern und ein Netz aus Stahlfasern in einer PA-Matrix aufweisen.
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Die zwischen den Deckschichten bzw. der Außen- und der Innenschale vorgesehene Kernstruktur kann eine zellulare Struktur aus einem Polyurethan-Schaum, aus einem schaumspritzgegossenen Polyamid oder eine Wabenstruktur haben.
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Bei der im Werkzeug vorgenommenen Oberflächenvorbereitung handelt es sich um ein Überfluten der SMC-Platte, um mit der so erzeugten Außenhaut eine lackierfähige Class-A-Oberfläche der Beplankung des Außenmoduls zu erhalten.
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Der Aufbau des Außenmoduls aus thermo- und duroplastischen Deckschichten mit Strukturkern und Versteifungselementen ermöglicht wegen der hohen Designfreiheit und Funktionsintegration beispielsweise die Anpassung der crashbeaufschlagten Beplankung auf das Fahrzeugkonzept durch die Konfiguration der Materialien, Halbzeuge und Geometrien. Die Beplankung kann so als tragendes Bauteil optimal in ein modulares Karosserieelement integriert werden; dieses kann wie 1 zeigt, eine Fahrzeugtür sein und aus einer Innenverkleidung 3, einem Außenmodul 1 (Beplankungsmodul) und einem Innenmodul 2 (Türträger) aufgebaut sein. Der Türträger 2 nimmt hierbei zusätzlich zu dem Außenmodul 1 und der Innenverkleidung 3 Funktionsaggregate, beispielsweise Fensterheber, Lautsprecher, etc. auf.
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Das Außenmodul 1 wird durch ihren Aufbau akustischen und optischen Anforderungen hinsichtlich einer Class A-Oberfläche und der Gestaltungsfreiheit gerecht. Die Sandwichbauweise des Beplankungsmoduls trägt zudem wesentlich zu der im Zuge der Elektromobilität an Bedeutung gewinnenden thermischen Isolierung und Gewichtsreduzierung bei. Ferner bietet der Aufbau hervorragende NVH-Eigenschaften, wobei mit NVH (Noise, Vibration, Harshness) die als Geräusch hörbaren und/oder als Vibration spürbaren Schwingungen in Kraftfahrzeugen bezeichnet werden.
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Da sich bei einem Seitenaufprall und Seitencrash (z. B. Seitenaufprall nach Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS, 214) die Beplankung als erstes Fahrzeugelement in Kontakt mit dem Impact-Körper befindet, bietet die erfindungsgemäße tragende Außenbeplankung als energieabsorbierendes Element eine Verbesserung der Crashperformance.
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Der Sandwichaufbau des Außenmoduls 1 kombiniert dabei eine hohe gewichtsspezifische Steifigkeit sowohl beim Crash als auch im Schwingungsverhalten mit einer guten thermischen und akustischen Isolation. Im Zuge der Elektromobilität spielen diese Aspekte zur Erhöhung der Reichweite, des Fahrkomforts und der Kostenreduzierung eine Schlüsselrolle. Zudem isoliert der aufgeführte Lagenaufbau den Innenraum zusätzlich, indem die Schallabstrahlung der großflächigen Beplankung durch die hohe Steifigkeit verringert wird und die Umgebungsgeräusche durch den Schaumkern absorbiert werden.
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Während 1 einen modularen Aufbau einer Kraftfahrzeugtür mit einem Innenmodul 2, einem Außenmodul 1 mit Beplankung 1' und einem Türinnenbelag 3 zeigt, ist in 2 ein Außenmodul 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Da im Stand der Technik der Türinnenbelag 3 und die Beplankung 1' in erster Linie kaum strukturelle Aufgaben erfüllen, dienen in den meisten Fallen ausschließlich die Verstärkungsbereiche des Innenmoduls und des Türrahmes 2' als Teil des Außenmoduls 1 als Crashstrukturen. Diese crashrelevanten Strukturen werden durch einen in etwa diagonal verlaufenden Seitenaufprallschutz 3' verstärkt. Zur Erhöhung der Beulsteifigkeit der Außenbeplankung 1' weist das Außenmodul hier zusätzlich ein Versteifungselement 4' auf.
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Das erfindungsgemäße Außenmodul 1 eignet sich besonders für den Einsatz in modular aufgebauten Karosserieelementen, diese können entsprechend der in 1 gezeigten Kraftfahrzeugtür aufgebaut sein. Der Aufbau und die Anzahl der Einzelkomponenten im Karosserieelement können dabei entsprechend dem Anforderungsprofil variieren. Durch das einfache Handling und die schnelle Montage des erfindungsgemäßen Beplankungsmoduls 1 werden ferner die Herstellungskosten für das Karosserieelement deutlich reduziert. Das Beplankungsmodul 1 ragt im montierten Zustand über die Kontur des Trägermoduls 2 hinaus, um die Trennebene zwischen diesen zu verdecken. In dieser Trennebene kann, wie in 3 dargestellt, zur Montage des Beplankungsmoduls 1 an den Träger 2 eine umlaufende Klebeverbindung 9 in den Randbereichen aufgetragen sein, etwa mit einem Sikaflex®-Klebstoff, Sika Deutschland GmbH, Stuttgart. Diese Klebeverbindung 9 kann bei einer nötigen Reparatur der innen liegenden Aggregate entfernt werden. Um die Beplankung 1 nach der Reparatur wieder an den Träger 2 zu fügen kann erneut ein Kleberand 9 aufgetragen werden.
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Die in 1 modular aufgebaute Kraftwagentür kann in jedes Fahrzeugumfeld integriert werden und das in 2 dargestellte Außenmodul 1 einer konventionellen Kraftwagentür substituieren.
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Wie 4, 5 und 7 entnehmbar ist, stellt die von der SMC-Deckschicht 4a gebildete äußere Halbschale 4a die Beplankung 1' des Außenmoduls 1 bereit, während aus dem Organoblech die innere Halbschale 4b gebildet wird, die die Versteifungselemente wie Verstärkungsrippen 7 aufweist.
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Wegen der guten Formbarkeit des Organoblechs im warmen Zustand und der Gestaltunabhängigkeit der inneren Deckschicht 4b bei Sandwichbauteilen und der mittels Fließ pressen aus der SMC-Platte herstellbaren Außenschale 4a kann eine hohe Designfreiheit garantiert werden und der Übergangsbereich zwischen Beplankungsmodul 1 und Träger 2 in unterschiedlicher Weise ausgestaltet werden. So kann die Innenschale 4b des Außenmoduls 1 als eine Art Einschub 2b in den Türträger 2 eingeschoben werden (3, links), wobei die Klebung 9 im Randbereich erfolgt. Alternativ dazu kann auch eine Verschweißung im Spritzgießwerkzeug über Heizpatronen erfolgen.
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Die Einleitung der durch das Beplankungsmodul 1 aufgenommenen Kraft in den Türträger 2 kann zudem durch ein Nut- und Federprinzip 9', 9'' verbessert werden (3, rechts), wobei hier die Innenschale 4b des Außenmoduls 1 im Randbereich als Feder 9' ausgebildet ist, die in eine korrespondierende Nut 9'' im Randbereich des Innenmoduls 2 eingreift. Die umlaufende Klebstoffverbindung 9 kann dabei in die Nut-Feder-Verbindung integriert sein, wobei zur Montage der Klebstoff 9 in die Nut 9'' oder auf die Feder 9' aufgetragen werden kann.
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In 4 und 5 ist der Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Außenmoduls 1, das als Faserverbundwerkstoff-Sandwichbauteil vorliegt, gezeigt. Dieser besteht aus zwei Deckschichten 4a und 4b, wobei für die Außenschale 4a eine Deckschicht 4a aus einer SMC-Platte eingesetzt wird und die Innenschale 4b eine Deckschicht 4b aus einem crashbelastbaren Organoblech aufweist, das beispielsweise aus in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebetteten Kohlenstofffasern, Stahlfäden und Aramidfasern besteht. Ferner umfasst der Mehrschichtaufbau des Außenmoduls 1 einen Strukturkern 5, z. B. aus einem Polyurethan- oder Polyamidschaum, eine Außenhaut 6, die durch Überfluten mit einem Polyurethan-Lack erhalten wird, und Versteifungsrippen 7 oder Sicken mit lokal ausgeschäumten Zwischenräumen 8 und der bereits erwähnten Klebeverbindung 9, bei der es sich auch um einen Primer handeln kann.
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In dem in 4 gezeigten Beispiel kann der zwischen den Deckschichten 4a und 4b gesandwichte Schaumkern 5 von einer maximalen Dicke von beispielsweise 15 mm auf 5 mm abnehmen, wobei im Randbereich gar kein Schaumkernmaterial zwischen den Deckschichten 4a, 4b vorliegt. Auf die SMC-Außenschale 4a ist eine die Außenhaut 6 bildende Lackschicht aufgetragen. Das Organoblech für die Innenschale 4b ist hier 1,2 mm dick.
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Je nach mechanischen, optischen und akustischen Anforderungen kann der beschriebene Schichtaufbau des Beplankungsmoduls variieren. So kann z. B. die Dichte des Schaumkerns 5 variiert werden oder der Kern 5 kann komplett entfallen (z. B. für Radkästen).
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Die Versteifungselemente auf der Innenschale 4b in Form von Sicken 10 und Rippen 7 versteifen (siehe 6) den Sandwichaufbau. Auch das Ausformen von z. B. welligen Bereichen 11, skizziert in 7, und der Einsatz eines flexiblen Klebers 9 sind Möglichkeiten, um im Crashfall eine gewisse Nachgiebigkeit zu erzielen (nötig für die Kraftaufnahme über den gesamten Eindrückweg von ca. 445 mm beim Türeindrückwiderstand-Test FMVSS 214) und die Strukturintegrität zu erhalten, ohne dabei die Designfreiheit der Außenhaut 1' negativ zu beeinflussen. Im Falle eines Seitencrashs ermöglicht das tragende Außenmodul im Gegensatz zu herkömmlichen Seitenaufprallschutzelementen (diese leiten die Kraft punktuell in die Seitenwände) die flächige Kraftweitergabe über das Türträgermodul 2 an die Seitenwände (A/B/C-Säulen). Die welligen Bereiche 11, die eine geeignete Deformationsstrukturgeometrie aufweisen, stellen verformungsfähige Bereiche dar, die in das Außenmodul 1 integriert sind.
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Eine weitere Schlüsselstelle bei großflächigen Kunststoffteilen ist die Einstellung der Wärmeausdehnung und des damit zusammenhängenden Spaltmaßes. Das anisotrope Verhalten von Faserverbundwerkstoffen kann bei der vorliegenden Beplankung 1 konstruktiv durch geeignete Werkstoffkombinationen und entsprechende Lagenaufbauten ausgeglichen und so geringe Toleranzen eingehalten werden.
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Das Prozesskonzept gliedert sich in zwei Endbearbeitungsstationen. An der ersten Station findet das Fügen und gegebenenfalls Schäumen der Halbschalen statt und in der zweiten Station erfolgt die Oberflächenbehandlung. Da beide Prozesse parallel ablaufen, entsteht so pro Takt ein fertiges Bauteil.
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8 beschreibt den Vorformvorgang der Außen- und der Innenschale, bevor sie in der ersten Station gefügt werden.
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Die Herstellung der Außenschale 4a ist in 8 mit dem linken Pfad und die der Innenschale 4b mit dem rechten Pfad beschrieben.
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Nachdem eine SMC-Platte 4a entsprechend der daraus herzustellenden Außenschale 4a zugeschnitten wurde, folgt das Vorformen der SMC-Platte 4a zu der Außenschale 4a, beispielsweise mittels Fließpressen. Das Überfluten der Beplankungsseite 1' mit einem Polyurethan zur Erzeugung der Außenhaut 6 kann dabei vor dem Vorformen der SMC-Platte 4a oder danach erfolgen. Wird die SMC-Platte vor dem Vorformen überflutet, so muss bei dem Formgebungsschritt auf die richtige Orientierung geachtet werden, so dass die Außenhaut dann nach dem Formen die Beplankungsseite bildet. Wird das Überfluten erst nach dem Formen durchgeführt, wenn schon die Außenschale 4a vorliegt, so ist die Beplankungsseite 1' bereits ausgebildet.
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Der rechte Pfad zur Herstellung der thermoplastischen FVK-Innenschale 4b beginnt auch mit dem Zuschnitt des Organoblechs 4b entsprechend der daraus herzustellenden Innenschale. Nach Aufnahme des Organoblechzuschnitts zu einem formangepassten Greifer 30, wird das Organoblech einer Aufheizung bis kurz unter den Schmelzpunkt des thermoplastischen Matrixkunststoffes unterzogen. Dazu kann, wie in 8 skizziert, eine Infrarotstrahlungsquelle 40 verwendet werden. Der Greifer 30, der eine der Innenschale entsprechende Formkontur aufweist, ist zudem mit einem Zylinder 31 ausgestattet, der das Organoblech 4b während der Erwärmung zunächst, wie durch die nach außen weisenden Pfeile angedeutet, unter Spannung hält. Im nächsten Schritt dann, der die Überführung des Organoblechs 4b in das Spritzgießwerkzeug 20 umfasst, findet das Vorformen des erwärmten Organoblechs 4b statt, wobei der Zylinder 31, entsprechend einem Niederhalter im Tiefziehprozess, ein definiertes Nachführen des Organoblechs 4b bereitstellt. Der formangepasste Greifer 30 ist zudem mit nadelförmigen Führungsstiften 32 ausgestattet, die die positionsgenaue Anpassung des Organoblechs an die Formkontur unterstützen. Die gestrichelten Pfeile deuten eine Fixierung mittels Unterdruck des vorgeformten Organoblechs 4b an dem Greifer 30 während des Transports in das Spritzgießwerkzeug 20 an.
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Nachdem das vorgeformte Organoblech 4b in das Spritzgießwerkzeug 20 eingelegt ist, werden die Versteifungsrippen 7 mittels der Angusseinrichtung 21 angespritzt. Die im Spritzgießwerkzeug 20 komplett vorgefertigte, umgeformte und mit den Versteifungselementen hinterspritzte Innenschale 4b wird dann zusammen mit der SMC-Außenschale 45 in die Werkzeugstation zum Verbinden der Außenschale und der Innenschale eingelegt, wo dann, falls vorgesehen, auch der Strukturkern eingelegt bzw. erzeugt wird. Anschließend kann, falls erforderlich oder gewünscht, noch eine Oberflächenbehandlung der Beplankung erfolgen, etwa um einen Metallic-Effect zu realisieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Montage,- Funktions- und Herstellkosten reduziert werden, wobei das selbsttragende Außenmodul mit geringen Fertigungstoleranzen durch In-Mould-Assembly hergestellt werden kann, während verschiedene Bearbeitungsschritte durch einen Werkzeugwürfel verbunden sind, so dass das Außenmodul quasi in einer Maschine hergestellt werden kann. Der Sandwichaufbau des Außenmoduls mit leichtem Kern trägt zur Gewichtsreduzierung bei und das Außenmodul kann als Strukturbauteil zur Steigerung der Crashperformance eingesetzt werden, indem die Energie weit außen flächig auf den Träger verteilt wird. Die Modulbauweise der mit dem Außenmodul gefertigten Gehäusekomponente wie etwa einer Kraftfahrzeugtür erfordert nur einen geringen Handhabungsaufwand. Durch die geringe Schwingungsempfindlichkeit/NVH bzw. die Steifigkeitserhöhung wird ein Komfortgewinn erzielt, und gleichzeitig durch den Schichtaufbau nicht nur eine hohe Designfreiheit erhalten, sondern auch eine Class-A-Oberfläche. Funktionselemente wie Dehnungswellen können wegen der Designunabhängigkeit konstruktiv in die innere Deckschicht integriert werden. So ist auch der Verlauf des Eindrückwiderstands gezielt über den Eindrückweg durch Materialauswahl, Schichtaufbau, Funktionselemente definierbar. Die Funktionsintegration birgt dabei weiteres Kosteneinsparungspotential. Die Verbindung der Module durch Klebung bietet ein einfaches Reparaturkonzept.
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Besonders wichtig für den Einsatz im Kraftfahrzeugbau ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren kurze Zykluszeiten und höhere Stückzahlen realisierbar sind, so dass das Außenmodul auch in Großserie hergestellt werden kann. Die durch das Außenmodul bereitgestellte Beplankung ist hochwertig, da nicht nachgiebig, und weist eine sehr gute Wärmeisolierung und ein sehr gutes Akustikverhalten auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005009179 A1 [0003]
- DE 102004011250 B3 [0004]
- DE 102008034038 A1 [0004]
- DE 102007042418 A1 [0005]
- DE 102007024163 A1 [0007]
- DE 20220552 U1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS, 214 [0047]
