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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Bodenelement gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 29 566 A1 geht eine Metallverbundplatte hervor, die als Hauptboden einer Fahrzeugkarosserie dienen kann. Diese weist zwei Deckelemente auf, zwischen denen als Versteifungsstruktur eine Leichtbaustrukturtafel angeordnet ist, wobei die Deckelemente mit der Versteifungsstruktur verbunden sind. Die Leichtbaustrukturtafel ist dabei als Streckmetalltafel ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einem Bodenelement, insbesondere einem Kraftfahrzeug-Hauptboden zu schaffen, wobei sich das Bodenelement durch eine hohe spezifische Steifigkeit und gute NVH-Eigenschaften (Noise Vibration Harshness) auszeichnet.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses umfasst ein Bodenelement, insbesondere einen Kraftfahrzeug-Hauptboden, mit mindestens einem Deckelement, wobei mit diesem eine Versteifungsstruktur verbunden ist. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass das Deckelement des Bodenelements aus einem Faserverbundmaterial gebildet ist, wobei die Versteifungsstruktur als Wabenkern oder als Schaumkern ausgebildet ist. Hierin liegt ein erhebliches Leichtbaupotential, wobei Gewichtseinsparungen in Hinblick auf ein konventionelles Bodenelement um bis zu 40% bis 50%, insbesondere im Vergleich zu einer Stahl- beziehungsweise Aluminiumlösung, möglich sind. Zugleich weist das Bodenelement eine hohe spezifische Steifigkeit und gute NVH-Eigenschaften auf.
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Es wird ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Deckelement des Bodenelements ein in einem Matrixmaterial eingebettetes Wirrfaservlies aufweist. Auch eine Wirrfasermatte, die in ein Matrixelement eingebettet ist, ist möglich. Die Verwendung eines Wirrfaservlieses oder einer Wirrfasermatte für das Deckelement verleiht dem Bodenelement eine herausragende Steifigkeit bei zugleich geringem Gewicht.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, bei welchem das Deckelement zumindest bereichsweise mit einer unidirektionalen Fasermatte verstärkt ist. Dabei bilden die unidirektional ausgerichteten Fasern bevorzugt Lastpfade in einer Hauptlastrichtung ab. Hierdurch kann die Steifigkeit des Bodenelements zumindest lokal bedarfsgerecht erhöht werden. Selbstverständlich ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem das Deckelement vollständig mit einer unidirektionalen Fasermatte verstärkt ist. Es wird allerdings auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem gezielt lokal verschiedene Steifigkeitszonen verwirklicht sind, die insbesondere dadurch gekennzeichnet sind, dass lokal bedarfsgerecht eine unidirektionale Fasermatte vorgesehen ist, wobei eine solche an anderen Stellen des Deckelements nicht vorgesehen ist. Auch die unidirektionale Fasermatte ist vorzugsweise in ein Matrixmaterial eingebettet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es zusätzlich oder alternativ möglich, die Steifigkeit des Deckelements zumindest lokal durch Aufsprühen von Kurzfasern zu beeinflussen. Dabei ist es insbesondere möglich, dass in Bereichen, die steifer ausgebildet sein sollen, zusätzlich Kurzfasern aufgesprüht werden.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Deckelement in ein Matrixmaterial eingebettete Glasfasern, Kohlefasern oder Karbonfasern, und/oder Naturfasern aufweist. Dabei verleihen Glasfasern dem Deckelement eine besonders hohe Steifigkeit, während Kohle- oder Karbonfasern dem Deckelement ein besonders geringes Gewicht verleihen. Die hier genannten Fasern kommen als Material für das Wirrfaservlies, für die unidirektionale Fasermatte und/oder für eine Verstärkung durch Aufsprühen von Kurzfasern in Frage. Selbstverständlich ist es möglich, die hier genannten Fasern miteinander zu kombinieren, wobei insbesondere ein Ausführungsbeispiel möglich ist, bei welchem eine erste Faserart für das Wirrfaservlies, eine zweite Faserart für die unidirektionale Fasermatte und eine dritte Faserart für die Verstärkung mit Kurzfasern vorgesehen ist. Diese verschiedenen Elemente können jedoch auch die gleichen Fasern umfassen oder spezifisch in je anderer Kombination zusammen gestellt sein.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Deckelement als Matrixmaterial Polypropylen, Polyamid, Polyurethan, und/oder Epoxidharz umfasst. Hierbei handelt es sich um besonders geeignete Matrixmaterialien, welche dem Deckelement zugleich eine hohe Steifigkeit als auch ein geringes Gewicht verleihen. Das Matrixmaterial ist vorzugsweise für das Wirrfaservlies, für die unidirektionale Fasermatte und/oder für die lokale Verstärkung mittels aufgesprühter Kurzfasern vorgesehen. Dabei ist es möglich, für alle drei Verwendungen dasselbe Matrixmaterial zu verwenden, oder verschiedene Matrixmaterialien miteinander zu kombinieren.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Wabenkern hexagonale Papierwaben, Waben aus Polypropylen-Tuben, Waben aus Polyamid-Tuben, oder Phenolfilmwaben, vorzugsweise aus Resopal, umfasst. Besonders bevorzugt ist ein Wabenkern vorgesehen, der ein feuchtigkeits- und hitzebebeständiges Material aufweist. Es ist insbesondere auch möglich, dass ein Wabenkern aus Aramidwaben vorgesehen ist.
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Hexagonale Papierwaben werden vorzugsweise dadurch hergestellt, dass eine Mehrzahl von Blättern oder Schichten von Papier übereinandergelegt und bereichsweise – im Berührungsbereich der späteren Waben – miteinander verklebt werden. Die Wabenstruktur beziehungsweise der Wabenkern wird dann erzeugt, indem die Blätter oder Schichten senkrecht zu ihren Ebenen auseinandergezogen werden, was auch als „Expandieren” bezeichnet wird. Die einzelnen Schichten oder Blätter sind dann im Bereich von Kanten der Waben miteinander verbunden. Eine besonders steife Struktur erhält man, wenn man die Waben so weit expandiert, dass sie regelmäßige Sechsecke und somit eine hexagonale Struktur bilden. Die Form- oder Drapierbarkeit des Wabenkerns kann allerdings erhöht werden, wenn die Waben über diese Struktur hinaus und somit überexpandiert werden. Im Extremfall erreicht man so eine rechteckige Struktur mit einer ersten Kantenlänge, welche der Kantenlänge der ursprünglichen Sechsecke entspricht und einer zweiten Kantenlänge, welche der zweifachen Kantenlänge der ursprünglichen Sechsecke entspricht. Eine überexpandierte Wabenstruktur ist um eine Achse, die in einer durch die Struktur definierten Ebene liegt, biegsamer als exakt hexagonal expandierte Waben, sie weist also eine verringerte Steifigkeit, jedoch eine erhöhte Drapier- oder Formbarkeit auf. Eine Überexpansion kann gezielt und lokal eingesetzt werden, um insbesondere lokal die Steifigkeit des entstehenden Bodenelements zu verringern beziehungsweise die Drapier- oder Formbarkeit des Wabenkerns zu erhöhen.
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Tubus-Waben, insbesondere solche auf Polypropylen- oder Polyamid-Basis, bestehen aus parallel zueinander – in Hinblick auf ihre Längsachse – orientierten Röhrchen, die an ihren Umfangsflächen miteinander verschmolzen sind.
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Dabei eignen sich Polypropylen-Tubus-Waben sehr gut insbesondere für einen Kraftfahrzeug-Unterboden, wobei sie eine geringe Dichte, geringe Materialkosten sowie den psychologischen Vorteil aufweisen, kein Papier im Unterboden zu verbauen. Vorteilhaft ist auch, dass sie eine hohe Feuchtigkeitsresistenz aufweisen, insbesondere im Vergleich zu Papierwaben.
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Polyamid-Tubus-Waben weisen den Vorteil auf, dass sie thermisch sehr beständig sind. Es ist daher möglich, einen Wabenkern auf dieser Basis bereits vor einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) in eine Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur zu integrieren, ohne dass das Bodenelement während der kathodischen Tauchlackierung Schaden nimmt.
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Insbesondere bei einer Verwendung des Wabenkerns im Nassbereich der Karosserie, mithin bei einer Ausbildung des Bodenelements als Hauptboden, ist ein sicherer Schutz des Wabenkerns vor Nässe unabdingbar. Dies kann auf zwei Arten realisiert werden, nämlich einerseits durch eine Abdichtung des Wabenkerns von außen, und andererseits durch eine Verwendung von feuchtigkeitsresistenten Waben. Dabei kann zwischen spritzwasserresistenten Wabenkern einerseits und Wabenkernen, die vollständig wasserunempfindlich sind, andererseits unterschieden werden. Letzte werden beispielsweise bei Kernen für Schiffsbeplankungen oder Surfbretter eingesetzt. Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug ist bevorzugt ein feuchtigkeitsresistenter Wabenkern und besonders bevorzugt ein vollständig wasserunempfindlicher Wabenkern vorgesehen.
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Wabenkerne auf Papierbasis bestehen bevorzugt nicht aus gewöhnlichem Papier. Besonders bevorzugt werden sie aus einem hochtemperaturbeständigen Aramidfaserpapier hergestellt, welches bevorzugt in Phenolharz gedrängt ist. Solche vorzugsweise hexagonalen Papierwaben weisen eine hohe spezifische mechanische Festigkeit, eine hohe Feuerfestigkeit, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, eine gute thermische Umformbarkeit, und gute Anbindungseigenschaften an die meisten Matrixmaterialien auf.
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Sehr vielversprechend ist auch ein Wabenkern auf Basis einer Phenolfilmwabe aus Resopal, der sich insbesondere durch seine Feuchtigkeits- und Hitzeresistenz auszeichnet. Auch ein Wabenkern auf dieser Basis ist ohne weiteres im Kraftfahrzeug-Rohbau bereits vor der kathodischen Tauchlackierung montierbar.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeuge bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Schaumkern Polyurethanschaum oder Poloyethylenschaum aufweist. Vorzugsweise weist der Schaumkern eine eingeprägte Wabenstruktur auf.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Wabenkern des Bodenelements bereichsweise eine Mischung aus Blähglas und Polyurethan aufweist. Dies trägt in besonderer Weise dem Gedanken Rechnung, verschiedene Steifigkeitszonen in dem Bodenelement zu schaffen. Insbesondere ist es möglich, die Steifigkeit des Bodenelements in einem Bereich, der einem Schweller der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur benachbart ist, verschieden auszubilden von einer tunnelnahen Steifigkeit. Dabei ist bevorzugt die Krafteinleitung in das Bodenelement in dem schwellernahen Bereich dadurch verbessert, dass hier eine Mischung aus Blähglas, beispielsweise Poraver, und Polyurethan eingesetzt wird. Dabei wird in diesem Bereich bevorzugt die Wabenstruktur durch die Mischung aus Blähglas und Polyurethan ersetzt. Blähglas ist aufgeschäumtes Glas mit luftgefüllten Poren, das typischerweise aus fein gemahlenen Glasscherben hergestellt wird, die zu einem runden Korn gebläht werden. Blähglas besitzt hervorragende Krafteinleitungseigenschaften und ein hohes Vermögen, Energie abzubauen, sodass weniger Kraft in die Reststruktur des Bodenelements eingeleitet wird.
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Das Bodenelement wird bevorzugt auf folgende Weise hergestellt: Ein Wirrfaservlies, insbesondere ein Kurzglasfaservlies, wird um das Kernmaterial, also den Wabenkern oder den Schaumkern, gelegt oder gewickelt, und bevorzugt hier vorläufig befestigt. Die so ausgebildete Schicht wird mit einem Polyurethanschaum besprüht, wobei dieser flüssige Polyurethanharz in das Wirrfaservlies einsickert und durch dieses hindurch auf den Kern gelangt. Dabei sickert er insbesondere auf die Wabenstruktur. Besonders bevorzugt wird beidseitig auf das Kernmaterial ein Wirrfaservlies aufgebracht.
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Dabei ist es auch möglich, dass ein Langfaservlies – beispielsweise mit Gewebelagen – als Erweiterung fungiert.
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Durch den Polyurethanschaum werden das Fasermaterial und das Kernmaterial miteinander verklebt. Dabei ergibt sich ein besonders haltbarer Verbund, weil der Polyurethanschaum zumindest bereichsweise in das Kernmaterial, insbesondere in die Wabenstruktur eindringt, während ein reines Kleben nur an den dünnen Kanten der Wabenstruktur wirksam wäre und insoweit eine deutlich geringere Festigkeit gewährleisten könnte.
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Wird ein Schaumkern verwendet, ist in diesen vorzugsweise eine Wabenstruktur eingeprägt, bevorzugt mit einer Prägetiefe von höchstens 1 mm. Der Polyurethanschaum beziehungsweise -harz dringt auch in diese eingeprägte Wabenstruktur ein, sodass sich ein fester Verbund des Kernmaterials mit dem Fasermaterial ergibt.
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Das solcher Art verklebte Bodenelement wird anschließend in ein Formwerkzeug eingebracht und durch Pressen verformt, sodass es seine gewünschte Kontur annimmt. Dabei wird das Formwerkzeug vorzugsweise auf eine Aushärtetemperatur des verwendeten Polyurethanschaums oder Polyurethanharzes beheizt, sodass das Bodenelement letztlich formstabil entformt werden kann. Durch die mit dem Formpressen verbundene Kompression nimmt die Dichte des Bodenelements etwas zu.
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Anschließend wird das fertige Bodenelement aus dem Formwerkzeug entformt. Ein solches Herstellungsverfahren wird auch als Compression Spray Molding oder als Spray Compression Molding-Verfahren bezeichnet.
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Schließlich wird ein Kraftfahrzeug bevorzugt, bei welchem das Bodenelement mit einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur verschweißt, verklebt, verschraubt, und/oder durch Niete und/oder Nägel verbunden ist. Mithilfe dieser Verbindungsarten ist eine feste und dauerhafte Verbindung des Bodenelements mit der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur möglich.
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Problematisch ist allerdings, dass sich Polyurethanschaum sehr spröde verhält, weshalb man diesen nicht mit Nägeln oder mit einer Schraubverbindung fügen kann. Daher wird bevorzugt bei dem hier vorgeschlagenen Bodenelement ein spezielles Fügekonzept angewendet.
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Dabei ist es nach einer Ausführungsform möglich, an das Bodenelement und insbesondere an die vorzugsweise das Kernmaterial beidseitig abdeckenden Deckelemente einen Flansch, insbesondere ein Aluminiumprofil, welches bevorzugt im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist, anzukleben. Dieser Flansch kann mit einem Element der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur verschweißt werden, wobei vorzugsweise ein Laserschweißverfahren oder ein Roboter-gestütztes Schweißverfahren mit einem möglichst geringen Wärmeeintrag, besonders bevorzugt das aus dem Artikel „Schneller Schweißen – der Scheibenlaser in der Serienfertigung", LTJ, März 2006, Nr. 2, Seiten 38 bis 39, bekannte RobScan-Verfahren, zum Einsatz kommt. Dabei muss gewährleistet sein, dass die Temperatur an der den Flansch mit dem Deckelement verbindenden Klebenaht unterhalb der Erweichungstemperatur derselben bleibt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das Bodenelement mit einem Element der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur, beispielweise mit einem Schweller, zu verkleben. Hierzu ist allerdings eine Änderung der Geometrie des entsprechenden Elements der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur nötig. Beim Kleben wird kein Warmeintrag in das Bodenelement eingebracht. Dieses wird an seinem Rand vorzugsweise so versteift, dass der verwendete Klebstoff um das Bodenelement herumfließt, statt in das Kernmaterial einzudringen. Besonders bevorzugt werden an dem Element der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur zwei Flansche ausgebildet, zwischen denen das Bodenelement bereichsweise angeordnet werden kann, wobei es durch die Flansche des Kraftfahrzeug-Rohbauelements geführt und gehalten wird, wobei es stirnseitig mit der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur verklebt wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird ein hybrides Fügeverfahren angewendet, bei welchem von einer Seite geklebt und zugleich geschraubt wird. Hierzu wird der Wabenkern vorzugsweise am Rand des Bodenelements teilweise durch ein Vollmaterial ersetzt, um eine Einschraubverbindung realisieren zu können. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, in den Randbereich ein Profil einzubringen. Die Verschraubung erfolgt dann – vorzugsweise mittels einer selbstfurchenden Schraube, insbesondere einer sogenannten Flow Drill Screw (FDS), wobei diese nicht in das spröde Polyurethanmaterial eindringt, sondern in das Profil oder das Vollmaterial. Dabei hat das Profil den Vorteil, zusätzlich einen Abschluss des Wabenkerns darzustellen und die Krafteinleitung zu verbessern. Ein solches Profil eignet sich auch hervorragend für eine Verbindung mithilfe von Nägeln.
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Demgegenüber kann das Vollmaterial zusätzlich auch in randferne Bereiche des Bodenelements eingebracht werden und Verschraubungen einer Unterbodenabdeckung aufnehmen.
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Als mögliche Vollmaterialien kommen ein Metallschaum, insbesondere ein Aluminiumschaum, oder ein Pultrudat in Frage. Insbesondere ist es möglich, dass das Vollmaterial als Zylinder aus Pultrudat oder aus Aluminiumschaum ausgebildet ist. Dabei wird vorzugsweise auf eine geringe Dichte sowie geeignete mechanische Eigenschaften des Materials wie Duktilität und Festigkeit geachtet, wobei das Vollmaterial insbesondere geeignet sein soll, eine Flow Drill Screw und/oder einen Nagel zu halten.
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Als Profile kommen L-förmige, U-förmige oder – im Querschnitt gesehen – rechteckförmige oder quadratische Profile in Frage. Dabei ist insbesondere der Herstellungsaufwand beim Einbringen eines Profils besonders gering, wobei sich zugleich eine hohe Toleranz bei der Positionierung einer Schraube oder eines Nagels ergibt. Zugleich zeigt sich, dass Profile am Rand des Bodenelements eine Verbesserung der Krafteinleitung hervorrufen.
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Werden zur Befestigung Nägel statt Schrauben verwendet, ist es hierdurch möglich, die Prozesszeit und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische, dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bodenelements für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bodenelements 1, welches zwei einander gegenüberliegend angeordnete Deckelemente 3, 3' aufweist, wobei zwischen den Deckelementen 3, 3' ein Wabenkern 5 als Versteifungsstruktur 7 angeordnet ist.
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Die Deckelemente 3, 3' bestehen jeweils aus einem in ein Matrixmaterial eingebetteten Wirrfaservlies, wobei sie mit dem Wabenkern 5 dadurch verbunden sind, dass sie an diesen angelegt beziehungsweise um diesen gewickelt sind, wobei die derart ausgebildete, kompakte Schicht mit einem flüssigen Polyurethanharz eingesprüht ist, der durch das Wirrfaservlies auf den Wabenkern 5 sickert, diesen und das Wirrfaservlies tränkt, und die Elemente miteinander verklebt.
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Die so gebildete Struktur ist in ein Formwerkzeug eingebracht, wo sie gepresst, geformt und ausgehärtet wird. Dabei entsteht die in der Figur dargestellte, geformte Struktur, welche Wölbungen und Bereiche verschiedener Dicke aufweist. Dabei ist es gerade auch über diese Dickenvariation möglich, die Steifigkeit des Bodenelements 1 lokal zu beeinflussen.
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Zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur weist das Bodenelement 1 in einem Randbereich zwei Aluminiumflansche 9, 9' auf, die jeweils auf die Deckelemente 3, 3' geklebt sind. Mithilfe dieser Flansche ist es möglich, das Bodenelement 1 an ein Element an einer Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur zu schweißen oder zu kleben, mit diesem zu verschrauben, und/oder durch Niete und/oder durch Nägel zu verbinden.
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In dem Randbereich ist der Wabenkern 5 durch ein Profil 11 ersetzt, das hier einen quadratischen Querschnitt aufweist. Auch dieses Profil dient der Befestigung des Bodenelements 1 an der Kraftfahrzeug-Rohbaustruktur und/oder der Befestigung der Flansche 9, 9' an dem Bodenelement 1. Dabei ist es insbesondere möglich, dass ein hybrides Befestigungsverfahren angewendet wird, wobei die Flansche 9, 9' einerseits mit den Deckelementen 3, 3' verklebt und andererseits mit dem Profil 11 verschraubt, vernietet und/oder durch Nägel befestigt sind.
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Der Wabenkern 5 kann insbesondere in einem schwellernahen Bereich des Bodenelements 1 durch eine Mischung aus Blähglas und Polyurethan ersetzt werden, wobei das Blähglas ein hohes Energieaufnahmevermögen besitzt und sehr druckfest ist, sodass es Druckspannungen hervorragend aufnehmen kann. Zugleich ist es insbesondere mit einer Dichte von weniger als 1 kg/L leicht.
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Insgesamt zeigt sich so, dass das hier vorgeschlagene Kraftfahrzeug ein leichtes, hochsteifes Bodenelement 1 mit guten NVH-Eigenschaften aufweist, welches bereits im Rohbau in die Karosseriestruktur eingefügt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel „Schneller Schweißen – der Scheibenlaser in der Serienfertigung”, LTJ, März 2006, Nr. 2, Seiten 38 bis 39 [0028]
