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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Tragstruktur in einem Spritzgusswerkzeug sowie eine Tragstruktur, die insbesondere als Tragstruktur für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Tragstrukturen für Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlicher Ausgestaltung bekannt. Beispielsweise werden herkömmliche Tragrohre aus Stahl gefertigt. Diese sind angesichts des hohen Eigengewichts von Nachteil. Tragrohre aus leichtbauenden Materialien, wie Magnesium-Druckguss, verfügen zwar über ein geringeres Eigengewicht als entsprechende Stahlbauteile, sind aber deutlich teurer in der Herstellung, nicht zuletzt aufgrund der hohen Materialkosten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Tragstrukturen in leichtbauender Bauweise anzugeben. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung eine Tragstruktur bereitzustellen, die sich bei hoher mechanischer Stabilität und guter Steifigkeit durch ein reduziertes Eigengewicht auszeichnet.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Tragstruktur in einem Spritzgusswerkzeug gelöst, wobei die Tragstruktur eine spritzgegossene Grundstruktur und eine Versteifungsstruktur in Sandwichbauweise umfasst. Im Einzelnen wird zunächst in einem Spritzgusswerkzeug eine kunststoffhaltige Grundstruktur hergestellt, die als Formvorlage für die herzustellende Tragstruktur dient und im Wesentlichen die Form der zu erstellenden Tragstruktur abbildet.
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Das kunststoffhaltige Material kann dabei faserhaltig oder faserfrei sein, wobei durch ein faserhaltiges Material die Steifigkeit der Tragstruktur erhöht werden kann. Nach Abschluss des Spritzgussprozesses verbleibt die hergestellte Grundstruktur im Werkzeug und es wird eine Versteifungsstruktur bereitgestellt. Die Versteifungsstruktur ist aus einem Schichtverbundwerkstoff gebildet und weist eine Sandwichstruktur auf. Die Sandwichstruktur umfasst mindestens eine Deckschicht, die mit einer Kernschicht verbunden ist. Vorzugsweise ist die Kernschicht beidseitig von mindestens einer Deckschicht umgeben. Die Kernschicht fungiert als Stützschicht und kann aus unterschiedlichen Materialien wie Pappe, Papier, Holz, Aluminium, Kunststoff und dergleichen, beispielsweise auch aus einem ausgehärteten Kunststoffschaum, und dabei in verschiedenen geometrischen Formen, vorteilhafterweise in Wabenform, ausgebildet sein. Die Deckschicht bzw. die Deckschichten sind im Einzelnen nicht beschränkt. Unter dem Gesichtspunkt der Gewichtseinsparung und der Steifigkeit der Versteifungsstruktur, sind Deckschichten aus kunststoffhaltigem Material, insbesondere aus einem Faserverbundkunststoff, besonders vorteilhaft. Die Versteifungsstruktur wird sodann im Spritzgusswerkezug angeordnet und auf die Grundstruktur umgeformt. Dabei kann die Versteifungsstruktur zur Umformung erwärmt werden. Danach wird eine mehrschichtige Tragstruktur erhalten. Die Mehrschichtstruktur wird durch stoffschlüssiges und/oder formschlüssiges Verbinden der Grundstruktur und der Versteifungsstruktur fixiert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf der einen Seite durch Anwendung eines Materialformprozesses, also eines Spritzgussprozesses, eine Grundstruktur urgeformt und auf der anderen Seite durch Umformen der in Sandwichbauweise gebildeten Versteifungsstruktur auf die Grundstruktur eine hoch belastbare Tragstruktur erhalten. Da diese beiden Prozessschritte, sowie auch das stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbinden der Grundstruktur und der Versteifungsstruktur in demselben Werkzeug ausgeführt werden können, ist das Verfahren einfach, zeitsparend, mit hoher Taktung und damit kostensparend ausführbar. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Tragstruktur zeichnet sich durch eine gute Stabilität, insbesondere eine hohe Steifigkeit, und dabei durch ein geringes Eigengewicht aus. Das Verfahren eignet sich aufgrund dieser Eigenschaften insbesondere zur Herstellung einer Tragstruktur für ein Kraftfahrzeug, wie z. B. eine Instrumententafeltragstruktur, die zwischen den A-Säulen eines Kraftfahrzeugs angeordnet wird.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das stoffschlüssige Verbinden durch Verschweißen ausgeführt. Hierdurch wird eine sehr gute Verbindungsbildung zwischen der Versteifungsstruktur und der Grundstruktur erzielt. Das Verschweißen kann zudem ebenfalls direkt im Spritzgusswerkzeug ausgeführt werden, was die Herstellung der Tragstruktur weiter vereinfacht.
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Weiter vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren durch einen Schritt des partiellen Verstärkens der Tragstruktur durch Anordnen mindestens eines Verstärkungselements im Spritzgusswerkzeug, gekennzeichnet. Das Verstärkungselement kann dabei bereits vor dem Spritzgussprozess zur Herstellung der Grundstruktur im Werkzeug angeordnet sein, wodurch das Verstärkungselement direkt mit der Grundstruktur verbunden wird und in die Grundstruktur eingeleiteten Lasten besser entgegengewirkt werden kann. Alternativ dazu kann auch die Versteifungsstruktur zusätzlich partiell durch ein Verstärkungselement ausgesteift werden. Hierbei wird die Versteifungsstruktur vor dem Umformen auf die Grundstruktur mit einem Verstärkungselement (oder mit mehreren Verstärkungselementen) versehen. Das Verstärkungselement kann auch zwischen die Grundstruktur und die Versteifungsstruktur eingelegt und beim Umformprozess in die Tragstruktur integriert werden. Eine sehr gute Verbesserung der Steifigkeit wird dabei durch die Verwendung von UD-Tapes, also mit unidirektionalen Fasern (oder Faserbündeln) verstärkten, meist streifenförmigen Verstärkungselementen, mit Verstärkungsfolien, Organoblechen oder Metalleinlegern, erzielt.
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Zur besseren geometrischen Abstimmung der Versteifungsstruktur auf die Grundstruktur ist vorteilhaft ein Schritt des Zuschneidens der Versteifungsstruktur vor dem Anordnen der Versteifungsstruktur im Spritzgusswerkzeug vorgesehen.
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Zur finalen Formgebung der Tragstruktur kann es vorteilhaft sein, die Tragstruktur nach einem Entformen aus dem Spritzgusswerkzeug zuzuschneiden, beispielsweise durch Fräsen.
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Die Verbaubarkeit der Tragstruktur kann verbessert werden, wenn die Wandstärke an einem oder an mehreren Enden der Tragstruktur verjüngend ausgebildet ist. Vorteilhaft sieht daher das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Reduzierens der Wandstärke an mindestens einem Ende der Tragstruktur vor. Dieses wird insbesondere durch Verpressen des entsprechenden Bereiches, direkt im Spritzgusswerkzeug ausgeführt, da hier die Tragstruktur optimal ausgerichtet und der Druck und damit die Wandstärke variabel einstellbar ist.
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Weiter vorteilhaft können Befestigungselemente in das Spritzgusswerkzeug eingebracht werden, die z. B. umspritzt oder eingepresst und damit direkt in die Tragstruktur integriert werden. Hierdurch werden auf einfache Weise Funktionalitäten in die Tragstruktur integriert, ohne zusätzliche, aufwendige Bearbeitungsschritte vorzusehen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Tragstruktur beschrieben. Die Tragstruktur umfasst eine spritzgegossene Grundstruktur und eine mit der Grundstruktur stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbundene Versteifungsstruktur. Die Versteifungsstruktur ist in Sandwichbauweise ausgeführt und umfasst eine Kernschicht mindestens eine mit der Kernschicht verbundene Deckschicht. Vorzugsweise ist die Kernschicht von mindestens zwei Deckschichten umgeben. Wie bereits vorstehend für das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, dient die Kernschicht als Stützschicht und kann aus unterschiedlichen Materialien wie Pappe, Papier, Holz, Aluminium, Kunststoff und dergleichen, beispielsweise auch aus einem ausgehärteten Kunststoffschaum, und zudem in verschiedenen geometrischen Formen, vorteilhafterweise in Wabenform, ausgebildet sein. Die Deckschicht bzw. die Deckschichten sind im Einzelnen nicht beschränkt. Unter dem Gesichtspunkt der Gewichtseinsparung und der Steifigkeit der Versteifungsstruktur, sind Deckschichten aus kunststoffhaltigem Material, insbesondere aus einem Faserverbundkunststoff, besonders vorteilhaft. In der erfindungsgemäßen Tragstruktur ist die Versteifungsstruktur auf die Grundstruktur umgeformt und bildet eine stabile Einheit mit der Grundstruktur, so dass die Tragstruktur sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Stabilität und hierunter eine ausgezeichnete Steifigkeit, aufweist. Durch den mehrschichtigen Aufbau der Tragstruktur unter Verwendung einer Versteifungsstruktur in Sandwichbauweise und einer spritzgegossenen Grundstruktur, die stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, wird insgesamt eine hohe Gewichtsreduktion bei hoher Belastbarkeit der Tragstruktur erzielt. Die erfindungsgemäße Tragstruktur ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Tragstruktur herstellbar. Aufgrund der sehr guten mechanischen Eigenschaften der Tragstruktur bei geringem Eigengewicht ist die Tragstruktur insbesondere als Tragstruktur in einem Kraftfahrzeug geeignet.
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Die erfindungsgemäße Tragstruktur weist vorteilhaft mindestens ein Verstärkungselement auf. Das Verstärkungselement dient dem partiellen Verstärken oder Aussteifen der Tragstruktur an örtlich stark belasteten Stellen der Tragstruktur.
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Ebenfalls vorteilhaft kann die Tragstruktur mindestens ein Befestigungselement umfassen, das in die Tragstruktur integriert ist. Hierdurch wird die Verbaubarkeit der Tragstruktur verbessert.
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Besonders gut geeignete Verstärkungselement sind UD-Tapes oder Verstärkungsfolien, da sie sich sehr gut sowohl in die Grundstruktur, also auch in die Versteifungsstruktur oder auch zwischen die Grundstruktur und die Versteifungsstruktur integrieren lassen. Wie vorstehend beschrieben sind UD-Tapes meist streifenförmig angeordnete unidirektional ausgerichtete, gebündelte Fasern. Ebenfalls sehr gut geeignet sind Organobleche oder Metalleinleger.
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Besonders vorteilhaft ist die Tragstruktur in Form einer Instrumententafeltragstruktur für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Hierbei können weitere Funktionen in die Tragstruktur, beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung der Versteifungsstruktur, integriert werden. So ist es beispielhaft möglich einen Handschuhkasten direkt in die Sandwichkonstruktion der Versteifungsstruktur zu integrieren. Der Handschuhkasten kann dabei die Steifigkeit der Tragstruktur unterstützen, z. B. indem der Handschuhkasten aus einem Organoblech gebildet ist. Somit kann auch eine Kraftübertragung über den Handschuhkasten erfolgen, ohne dass die Tragstruktur Schaden nimmt. Des Weiteren ist es möglich Elektronikmodule, die als Kunststoffteil ausgeführt werden, in die Versteifungsstruktur zu integrieren. Durch die Integration eines Elektronikmoduls in die Sandwichstruktur der Versteifungsstruktur kann das Kunststoffteil entsprechend dünnwandiger, weniger steif und damit weniger komplex ausgebildet werden, wodurch weiteres Gewicht eingespart werden kann. Auch Luftführungen können sehr einfach in der Sandwichstruktur vorgesehen werden. Bei gleicher Steifigkeit ist die erfindungsgemäße Tragstruktur gegenüber herkömmlichen Tragstrukturen aus Stahl erheblich gewichtsreduziert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung einer Tragstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. In 1 sind nur die hier interessierenden Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Tragstruktur dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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1 veranschaulicht schematisch die in den einzelnen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Elemente der erfindungsgemäßen Tragstruktur 5 in Schnittansicht und dient damit der Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung einer Tragstruktur 5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Tragstruktur 5 beispielhaft als Instrumententafeltragstruktur dargestellt ist.
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Zunächst wird eine Grundstruktur 1 erzeugt, nämlich durch Spritzgießen der Grundstruktur 1 in einem Spritzgusswerkzeug. Hierbei kann eine Grundstruktur 1 aus einem kunststoffhaltigen Material erhalten werden, die sich durch ein geringes Eigengewicht auszeichnet. Der Spritzgussprozess erlaubt dabei die Herstellung einer Grundstruktur 1 in komplexer Form, die beispielsweise eine Kavität 9 für einen Handschuhkasten sowie Luftkanäle 8 vorsieht.
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In einem weiteren Schritt wird eine Versteifungsstruktur 2 bereitgestellt. Die Versteifungsstruktur 2 ist in Sandwichbauweise ausgebildet und umfasst hier beispielhaft zwei Deckschichten 4, die eine Kernschicht 3 umgeben.
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Vor dem Einlegen der Versteifungsstruktur 2 in das Spritzgusswerkzeug kann die Versteifungsstruktur 2 zugeschnitten werden.
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Sodann erfolgt im Spritzgusswerkzeug ein Umformen der Versteifungsstruktur 2 auf die Tragstruktur 1. Hierbei bleiben die Luftkanäle 8 frei.
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Die Grundstruktur 1 und die Versteifungsstruktur 2 werden anschließend stoffschlüssig und/oder formschlüssig, vorzugsweise durch Verschweißen, miteinander verbunden, so dass eine stabile Tragstruktur 5 erhalten wird, die aufgrund ihres mehrschichtigen Aufbaus aus Sandwichstruktur und Spritzgussstruktur ein geringes Eigengewicht aufweist. Die Tragstruktur 5 kann zur Ausbildung des Stoffschlusses erwärmt werden.
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Des Weiteren werden die Enden 6, 7 der Versteifungsstruktur 2 verpresst, so dass sich in diesen Bereichen die Wandstärke der Versteifungsstruktur 2 verjüngt, was den Einbau der Tragstruktur 5 erleichtert. Zudem können zum Beispiel an den Enden Befestigungselemente mit eingepresst und damit in die Tragstruktur 5 integriert werden. Das zusätzliche Anordnen von Befestigungselementen kann damit entfallen.
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Die Tragstruktur 5 kann durch ein oder mehrere Verstärkungselemente partiell, also lokal, verstärkt werden, wobei sich UD-Tapes als Verstärkungselement als besonders vorteilhaft erwiesen haben.
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Die Tragstruktur 5 zeichnet sich bei hoher Steifigkeit, hoher Funktionalität und sehr guter Einbaubarkeit durch ein geringes Eigengewicht aus. Einwirkende Lasten können sehr gut durch die Versteifungsstruktur 2 und auch den in den Hohlraum 9 integrierbaren Handschuhkasten eingeleitet und von dort aus abgeleitet werden. Die Tragstruktur 5 weist eine sehr gute Stabilität auf und lässt sich sehr gut als Alternative zu Stahlrohkonstruktionen zwischen die A-Säulen eines Kraftfahrzeugs integrieren.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundstruktur
- 2
- Versteifungsstruktur
- 3
- Kern
- 4
- Deckschicht
- 5
- Tragstruktur
- 6
- Ende der Versteifungsstruktur
- 7
- Ende der Versteifungsstruktur
- 8
- Luftkanal
- 9
- Hohlraum
