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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselementes einer Motor-Luftansaugstrecke sowie ein Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Kunststoffelemente aus aufgeschäumten Polymermassen herzustellen.
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Beispielsweise ist aus der
DE 197 40 472 B4 bekannt geworden, expandierte Polypropylen-Partikel herzustellen. Zum Aufschäumen wird dabei ein flüchtiges Triebmittel in wässriger Suspension eingesetzt.
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Die
US 7,838,108 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung einer aufgeschäumten Polymermasse, wobei die Poren der aufgeschäumten Polymermasse einen Durchmesser zwischen 10 nm und 500 nm aufweisen.
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Die
EP 0 801 097 B1 offenbart die Herstellung eines expandierten Kunststoff-Formteils. Bei der Herstellung des Kunststoffformteils wird zum Aufschäumen der Polymermasse ein ”Triebmittelbatch” eingesetzt.
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Weiterhin ist aus der
US 6,030,696 A ein Verfahren zur Herstellung einer Polymerschaummasse bekannt geworden, bei dem als Triebmittel Propan eingesetzt wird.
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Aus der
EP 1 503 889 B1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung aufgeschäumter Polymermassen bekannt geworden, bei der Kohlendioxid als Triebmittel eingesetzt wird.
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Die
US 2010/0189972 A1 offenbart aufgeschäumte Verkleidungselemente aus Kunststoff für den Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Die Verkleidungselemente dienen sowohl als Stützelemente als auch zur Dämpfung von Fahrzeuggeräuschen.
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Schließlich ist aus der
EP 1 741 583 B1 ein Luftführungselement für Kraftfahrzeuge zur Leitung von Warmluft aus dem Motorraum ins Fahrzeuginnere bekannt geworden. Das bekannte Luftführungselement besteht aus einem aufgeschäumten Kunststoff und wird im Spritzgussverfahren hergestellt.
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Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke. Da die Luft dem Verbrennungsmotor möglichst kalt zugeführt werden muss, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, weisen die bekannten Fluidführungselemente für Motor-Luftansaugstrecken einen massiv, d. h. aus Vollmaterial ausgebildeten, im Spritzgussverfahren hergestellten Fluidführungselementkörper auf, der mit isolierenden Schichten oder Folien, beispielsweise aus einem Textil oder Aluminium, umgeben ist.
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Die Herstellung eines solchen ”ummantelten” Fluidführungselementes ist jedoch verhältnismäßig teuer, da die Fertigungsdauer für die ”Ummantelung” des Fluidführungselementkörpers sehr hoch ist. Weiterhin wird die Montage eines solchen Fluidführungselementes im Fahrzeug durch die isolierenden Zusatzschichten erschwert. Schließlich weist ein solches Fluidführungselement durch die Zusatzschichten ein in optischer und in haptischer Hinsicht wenig attraktives Erscheinungsbild auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig produzierbares Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke bereitzustellen, das thermisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselementes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Fluidführungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung an.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselementes einer Motor-Luftansaugstrecke umfasst die nacheinander abfolgenden Verfahrensschritte:
- a) Schmelzen eines Polymers;
- b) Zugabe eines schaumbildenden Triebmittels in die geschmolzene Polymermasse;
- c) Formen der geschmolzenen Polymermasse mit dem Triebmittel unter Polymerschaumbildung zu einem Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein aus Kunststoff ausgebildetes aufgeschäumtes Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke bereitgestellt. Das Fluidführungselement weist aufgrund seiner aufgeschäumten (Wand-)Struktur thermisch isolierende Eigenschaften auf, so dass die im Betrieb durch das Fluidführungselement geführte Luft beispielsweise durch eine Motorabwärme nicht oder nur unwesentlich aufgeheizt wird. Mit anderen Worten kann der im Fluidführungselement geführte Luftstrom durch die dämmenden Eigenschaften des Fluidführungselementes kühl gehalten werden. Anders gesagt weist das Fluidführungselement quer zur Luftführungsrichtung eine niedrige Wärmeleiffähigkeit auf. Durch die thermisch isolierenden Eigenschaften des Fluidführungselementes kann auf zusätzliche Isolationsschichten zur Ummantelung des Fluidführungselementes, wie beispielsweise Aluminiumfolien, Textilien und dergleichen, verzichtet werden. Das Fluidführungselement kann dadurch vereinfacht in einem Kraftfahrzeug montiert werden und zugleich mit einer in optischer und haptischer Hinsicht hochwertigen, weil glatten und lunkerfreien bzw. im Wesentlichen lunkerfreien Oberfläche, bereitgestellt werden. Die Produktionskosten für die Herstellung des Fluidführungselementes können durch den Verzicht auf eine zusätzliche Ummantelung darüber hinaus signifikant gesenkt werden. Dies stellt einen nicht zu vernachlässigenden Vorteil dar, da es sich bei den erfindungsgemäßen Fluidführungselementen um Massenprodukte handelt.
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Als Material für das Verfahren kann ein beliebiger polymerer, insbesondere thermoplastischer, Kunststoff eingesetzt werden. Das Schmelzen des Polymers erfolgt vorzugsweise in einem Extruder.
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Als Triebmittel kann erfindungsgemäß jegliche gasbildende und/oder volumenvergrößernde Substanz eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein flüssiges Gas, insbesondere flüssiges Kohlendioxid, eingesetzt werden, das bei zunehmender Temperatur gasförmig wird und zu Poren im Polymer, d. h. zu einem Polymerschaum, führt. Eine solche Schaumbildung wird als ”physikalisches Aufschäumen” bezeichnet.
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Unter einem ”Formen der geschmolzenen Polymermasse mit dem Triebmittel unter Polymerschaumbildung” wird eine Aufschäumung und Abkühlung des Polymerschaumes verstanden, wobei die Polymermasse durch ein Werkzeug geformt wird. Vorzugsweise erfolgen mehrere Schritte des Formens gleichzeitig, so dass eine besonders schnelle und dadurch kostengünstige Produktion des Fluidführungselementes erreicht wird.
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Das schaumbildende Triebmittel wird erfindungsgemäß derart zudosiert, dass ein Volumenanteil des Schaums (der Lunker) beim Formen der geschmolzenen Polymermasse mit dem Triebmittel zu dem Fluidführungselement eingestellt wird, der bis zu 50% des Gesamtvolumens des Fluidführungselements beträgt.
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Im Verfahrensschritt a) wird vorzugsweise ein Polymer in Form von Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyethylen (PE) oder Polyurethan (PU) eingesetzt. Hierdurch werden stark isolierende, formstabile Fluidführungselemente erreicht.
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Eine besonders hohe Stabilität des Fluidführungselementes kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, dass der geschmolzenen Polymermasse vor dem Verfahrensschritt c) Fasern zur Stabilisierung des Fluidführungselementes zugegeben werden. Die Fasern sind vorzugsweise in Form von Carbonfasern, Glasfasern oder auch synthetischen bzw. natürlichen Polymerfasern ausgebildet, um die Festigkeit des Fluidführungselementes weiter zu erhöhen. Das Polymer kann bereits Fasern, insbesondere Glasfasern, enthalten.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Fasern können der geschmolzenen Polymermasse vor dem Verfahrensschritt c) auch andere stabilisierende Zuschläge bzw. Zuschlagsstoffe beigemengt werden, beispielsweise Glaskugeln, Graphit, Ruß und/oder Talkum.
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Als Triebmittel kann erfindungsgemäß insbesondere ein chemischer Gasbildner, vorzugsweise Natriumhydrogencarbonat und/oder Kaliumhydrogencarbonat, eingesetzt werden. Hierdurch kann die Porengröße und der Volumenanteil der Poren am Gesamtvolumen des Fluidführungselementes auf einfache Weise und genau eingestellt werden. Flüssige Gase müssen nicht vorgehalten werden.
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Eine besonders kostengünstige Produktion des Fluidführungselementes wird dadurch erreicht, dass das Fluidführungselement im Verfahrensschritt c) einschichtig ausgebildet wird, sodass es nur aus einer einzigen Lage besteht.
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Im Verfahrensschritt c) kann ein Fluidführungselement geformt werden, das eine Dicke von mehr als 4 mm, insbesondere eine Dicke zwischen 5 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 10 mm, aufweist. Unter der Dicke des Fluidführungselementes wird die Stärke des Fluidführungselementes, d. h. die Breite des Wandquerschnittes des Fluidführungselementes, verstanden.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Formen im Verfahrensschritt c) durch Spritzgießen in eine Spritzgussform. Hierdurch wird das Fluidführungselement besonders maßhaltig und präzise produziert. Darüber hinaus können bislang zur Herstellung von massiv ausgebildeten Fluidführungselementen eingesetzte Spritzgussformen – ggf. nach leichter Modifizierung – benutzt werden.
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Der Druck beim Spritzgießen im Verfahrensschritt c) kann so hoch gewählt werden, dass die mittlere Porengröße im an der Spritzgussform anliegenden Wandbereich des Fluidführungselementes, d. h. in oberflächennahen Wandbereichen des Luftführungselements, kleiner ist als die mittlere Porengröße des übrigen spritzgegossenen Fluidführungselements. Die mittlere Porengröße im an der Spritzgussform anliegenden Wandbereich des Fluidführungselementes beträgt vorzugsweise maximal 60%, vorzugsweise maximal 40%, besonders bevorzugt maximal 20% der mittleren Porengröße des übrigen spritzgegossenen Fluidführungselements. Die geringe Porengröße im Oberflächenbereich des Fluidführungselementes ermöglicht einerseits einen geringen Luftwiderstand beim Überströmen des Fluidführungselementes. Andererseits kann dadurch die Optik und die Haptik des Fluidführungselementes verbessert werden.
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Die geringere mittlere Porengröße im an der Spritzgussform anliegenden Wandbereich wird einerseits durch den Druck der Spritzgussmasse während des Spritzgießens erzielt, wobei der Druck zu einer Kompression und Ausgasung des Fluidführungselementes in dessen Oberflächenbereich führt. Andererseits kühlt die Spritzgussmasse durch den Kontakt mit der Spritzgussform schneller ab als das übrige Fluidführungselement.
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Mit anderen Worten entstehen weniger Lunker im Bereich der Oberfläche des Fluidführungselementes. Die Spritzgussform kann erfindungsgemäß aktiv gekühlt werden, um ein oberflächennahe Porenbildung zu minimieren.
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Das Formen kann alternativ zum Spritzgussverfahren durch ein Extrusionsverfahren oder ein Pultrusionsverfahren (Strangziehverfahren) erfolgen. Hierdurch kann das Formgebungswerkzeug unmittelbar in Form einer Aufschäumdüse ausgebildet werden. Das zum Formen erforderliche Formgebungswerkzeug ist dadurch konstruktiv einfach ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Fluidführungselement einer Motor-Luftansaugstrecke eines Verbrennungsmotors ist aus einer aufgeschäumten Polymermasse ausgebildet.
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Das Fluidführungselement ist vorzugsweise in Form eines Luftfiltergehäuses, eines Gehäusedeckels, beispielsweise eines Luftfiltergehäusedeckels oder -oberteils, eines Rohrs oder eines Rohrteils ausgebildet.
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Das Fluidführungselement ist bevorzugt aus PP, PA, PE und/oder PU ausgebildet, so dass das Fluidführungselement besonders stark isolierend und formstabil ist.
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Vorzugsweise weist das Fluidführungselement mehrere Fasern, insbesondere Carbonfasern und/oder Glasfasern auf, die die Stabilität des Fluidführungselementes signifikant erhöhen.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Fluidführungselement andere stabilisierende Zuschläge aufweisen.
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Das Fluidführungselement ist besonders kostengünstig fertigbar, wenn es einschichtig ausgebildet ist.
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Das Fluidführungselement weist vorzugsweise eine Dicke von mehr als 4 mm, insbesondere eine Dicke zwischen 5 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 mm und 10 mm auf. Eine solche Schichtdicke führt zu einer guten thermischen Isolierung bei vergleichsweise geringen Produktionskosten.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die mittlere Porengröße im äußeren Wandbereich des Fluidführungselementes maximal 60%, bevorzugt maximal 40%, ganz besonders bevorzugt maximal 20% der mittleren Porengröße des übrigen Fluidführungselementes. Hierdurch wird eine reibungsarme Leitung der Luft durch das Fluidführungselement erreicht. Unter einem äußeren Wandbereich wird dabei eine Grenzfläche des Fluidführungselementes verstanden. Die Grenzfläche kann radial nach außen oder radial nach innen weisen. Alternativ können im Wandbereich des Fluidführungselementes die Grenzflächen radial nach innen und radial nach außen weisen.
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Das Fluidführungselement kann als Führungselement für eine Flüssigkeit, insbesondere Treibstoff und/oder Öl, ausgebildet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt sowie aus den Ansprüchen.
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Die in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind so dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und einer Motor-Luftansaugstrecke; und
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2 einen Längsschnitt durch eine schematische Darstellung eines Teils der Motor-Luftansaugstrecke aus 1.
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeuges. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einer Durchflussregulierungseinrichtung 12, beispielsweise in Form einer Drosselklappe, verbunden. Die Durchflussregulierungseinrichtung 12 bezieht die dem Verbrennungsmotor 10 zugeführte Luft von einem Luftfilter 14. Der Luftfilter 14 ist über ein Fluidführungselement 16 in Form eines Rohrs, genauer gesagt eines Ansaugrohrs, fluidisch mit der Durchflussregulierungseinrichtung 12 verbunden. Die Durchflussregulierungseinrichtung 12, das Fluidführungselement 16 und der Luftfilter 14 stellen eine Motor-Luftansaugstrecke 18 dar. Es versteht sich, dass die Luftansaugstrecke 18 auch anders ausgebildet sein kann. So kann die Luftansaugstrecke 18 in nicht näher wiedergegebener Weise einen (Abgas-)Turbolader, einen Ladeluftkühler oder andere Bauteile umfassen, die zumidest teilweise über Fluidführungselemente 16 miteinander verbunden sind.
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Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss dem Verbrennungsmotor 10 kalte Luft zugeführt werden. Die Luft darf sich folglich nicht in der Motor-Luftansaugstrecke 18, beispielsweise durch von der Verbrennungskraftmaschine 10 abgegebene Wärme (= Motor-Abwärme), erwärmen. Die Luftansaugstrecke 18 weist daher Fluidführungselemente 16 auf, die thermisch isolierend ausgebildet sind. Die Fluidführungselemente 16 sind dabei aus einem Kunststoffschaum, d. h. einem Polymerschaum, ausgebildet.
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2 zeigt einen Querschnitt des Fluidführungselementes 16 als Beispiel für die isolierende Ausgestaltung der Fluidführungselemente. Das Fluidführungselement 16 ist rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse 19 ausgebildet. Das Fluidführungselement 16 kann dadurch leicht hergestellt werden. Kompliziertere Formen können im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Das Fluidführungselement 16 weist einen Innenrohrbereich 20 und eine den Innenrohrbereich 20 umgebende Rohrwand 22 auf. Das Fluidführungselement 16 ist einteilig, d. h. einschichtig ausgebildet.
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Die Rohrwand 22 ist aus aufgeschäumtem Kunststoff, d. h. aus einem Polymerschaum ausgebildet. Die Rohrwand 22 umfasst dabei einen aus Kunststoff ausgebildeten Körper 24. Der Körper 24 ist mit mehreren Poren durchsetzt, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine erste Pore 26, eine zweite Pore 28 und eine dritte Pore 30 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Poren 26, 28, 30 weisen unterschiedliche Porengrößen, bzw. unterschiedlich große Porenvolumina auf. Die Poren 26, 28, 30 können kugelförmig sein oder – je nach Parameterwahl während des Formens – beliebig „unrunde” Formen aufweisen.
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Die erste Pore 26 ist in einem Außenwandbereich 32 und die dritte Pore 30 in einem Innenwandbereich 34 der Rohrwand 22 ausgebildet. Die erste Pore 26 und die dritte Pore 30 weisen eine kleinere Porengröße auf als die zweite Pore 28. Durch die kleinere Porengröße im Außenwandbereich 32 und im Innenwandbereich 34 werden eine attraktive Optik der Rohrwand 22 und ein reibungsarmes Überströmen des Innenrohrbereichs 20 ermöglicht. Die kleinere Porengröße im Außenwandbereich 32 und im Innenwandbereich 34 werden durch hohen Druck während eines Spritzgießverfahrens bei der Herstellung des Fluidführungselementes 16 erzielt.
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Das Fluidführungselement 16 weist eine Dicke D von 5 mm bis 10 mm auf. Hierdurch wird das Fluidführungselement 16 kostengünstig hergestellt, weist aber gleichzeitig gut isolierende Eigenschaften quer zu Überströmungsrichtung, d. h. quer zu seiner Längsachse 19 sowie eine funktionell ausreichend hohe Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen auf.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Fluidführungselement. Das Fluidführungselement dient zum Transport von Luft zu einem Verbrennungsmotor. Es ist aus aufgeschäumtem Kunststoff ausgebildet. Der aufgeschäumte Kunststoff wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Polymerschmelze geformt, die vor dem Formen zu dem Fluidführungselement mit einem Triebmittel versetzt wird. Als Triebmittel können physikalische Triebmittel, vorzugsweise aber chemische Triebmittel, eingesetzt werden. Das Formen des Fluidführungselementes erfolgt vorzugsweise im Spritzgussverfahren. Eine erfindungsgemäße (Verbrennungs-)Motor-Luftansaugstrecke weist zumindest ein vorgenanntes Fluidführungselement auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19740472 B4 [0003]
- US 7838108 B2 [0004]
- EP 0801097 B1 [0005]
- US 6030696 A [0006]
- EP 1503889 B1 [0007]
- US 2010/0189972 A1 [0008]
- EP 1741583 B1 [0009]
