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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Komponentenentwürfe aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere jedoch Fahrzeuginstrumententafelentwürfe sowie Verfahren für ihre Herstellung.
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In Fahrzeugen werden immer häufiger leicht gewichtige Komponenten und Entwürfe verwendet, um das Fahrzeuggewicht zu verringern, insbesondere in großen Innenraumfahrzeugkomponenten wie Instrumententafeln. Gewichtsreduzierungen können die Leistung und Kraftstoffökonomie eines Fahrzeugs erhöhen. Gewichtseinsparungen können durch Ersetzen aktueller Materialien von Fahrzeugkomponenten durch leichter gewichtige Materialien realisiert werden. In einigen Fällen können die in Fahrzeugen eingesetzten leichter gewichtigen Materialien jedoch eine geringere mechanische Integrität als ihre schwerer gewichtigen Pendants haben.
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In anderen Fällen können bestimmte leichter gewichtige Materialien, beispielsweise Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe, im Vergleich zu konventionellen Materialien tatsächlich eine verbesserte mechanische Leistung aufweisen. Leider können die Fertigungskosten für die Herstellung von Fahrzeugkomponenten mit diesen Materialien unbezahlbar oder zumindest nicht ausreichend niedrig sein, um gegen die potenziellen Verbesserungen hinsichtlich Leistung und Kraftstoffökonomie des Fahrzeugs aufgerechnet zu werden. Darüber hinaus werden diese festeren Verbundmaterialien häufig in großen Fahrzeugkomponenten eingesetzt, in denen nur ein oder eine Handvoll Bereiche tatsächlich eine höhere mechanische Leistung erfordert.
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Dementsprechend besteht Bedarf an leichter gewichtigen Fahrzeugmaterialien, die im Vergleich zu konventionellen Materialien eine bessere oder vergleichbare mechanische Leistung aufweisen. Außerdem ist es notwendig, die mechanischen Eigenschaften in bestimmten Bereichen innerhalb dieser Komponenten für die jeweilige Anwendung gezielt anzupassen, damit den Einsatz kostspieliger Verstärkungsmaterialien zu minimieren und die mechanischen Eigenschaftssverbesserungen – sofern dies in der Komponente erforderlich ist – zu maximieren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Formen einer Fahrzeuginstrumententafel folgende Schritte: Schmelzen eines ersten Verbundwerkstoffs mit Kohlenstofffasern und Nylonharz; und Schmelzen eines zweiten Verbundwerkstoffs mit Glasfasern und Nylonharz. Das Verfahren umfasst außerdem folgende Schritte: Einspritzen der geschmolzenen Verbundwerkstoffe in eine Instrumententafelform, sodass die Kohlenstoff- und Glasfasern jeweils im Wesentlichen innerhalb des fahrerseitigen bzw. des beifahrerseitigen Teils der Form konzentriert sind; und Abkühlen der geschmolzenen Verbundwerkstoffe, um eine Instrumententafel zu formen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Formen einer Fahrzeugkomponente folgende Schritte: Schmelzen eines ersten Verbundwerkstoffs mit einem ersten Fasermaterial und einem ersten Harz; und Schmelzen eines zweiten Verbundwerkstoffs mit einem zweiten Fasermaterial und einem zweiten Harz. Das Verfahren umfasst außerdem folgende Schritte: Einspritzen der geschmolzenen Verbundwerkstoffe in eine Form, sodass der erste und der zweite Verbundwerkstoff jeweils im Wesentlichen innerhalb des ersten bzw. zweiten Teils der Form konzentriert sind; und Abkühlen der geschmolzenen Verbundwerkstoffe, um eine Fahrzeugkomponente zu formen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Formen einer Fahrzeugkomponente folgende Schritte: Schmelzen eines ersten Verbundwerkstoffs mit einem ersten Fasermaterial und einem Harz; und Schmelzen eines zweiten Verbundwerkstoffs mit einem zweiten Fasermaterial und einem Harz. Das Verfahren umfasst außerdem folgende Schritte: Einspritzen substanzieller Teile des ersten und des zweiten geschmolzenen Verbundwerkstoffs in den ersten bzw. zweiten Teil einer Form; und Abkühlen der Form zum Formen einer Fahrzeugkomponente mit einem Grenzbereich, der eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Verbundwerkstoff umfasst.
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Diese und andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute bei näherer Untersuchung der folgenden Beschreibung, Ansprüche und angehängten Zeichnungen verständlich und offensichtlich.
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In den Zeichnungen ist:
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1 eine perspektivische Vorderansicht einer Fahrzeuginstrumententafel in einem Fahrzeug entsprechend einer Ausführungsform;
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2 eine auseinander gezogene perspektivische Draufsicht auf die in 1 gezeigten Instrumententafel;
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3 ein Aufriss einer Fahrzeugkomponente entsprechend einer weiteren Ausführungsform von unten;
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4 eine perspektivische Draufsicht auf ein Spritzgießsystem entsprechend einer weiteren Ausführungsform;
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5A eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 4 während eines Schrittes des Einspritzens geschmolzener Verbundwerkstoffe in eine Form entlang einer Linie X-X;
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5B eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 4 während eines Schrittes des Abkühlens der geschmolzenen Verbundwerkstoffe entlang einer Linie X-X; und
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6 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Formen einer Fahrzeugkomponente unter Verwendung des Spritzgießsystems aus 4 entsprechend einer weiteren Ausführungsform.
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Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sollen sich die Ausdrücke „obere/r/s“, „untere/r/s“, „rechte/r/s“, „linke/r/s“, „hintere/r/s“, „vordere/r/s“, „vertikale/r/s“, „horizontale/r/s“ und daraus abgeleitete Begriffe auf die Offenbarung, wie sie in 1 ausgerichtet ist, beziehen. Es versteht sich jedoch, dass die Offenbarung verschiedene alternative Ausrichtungen einnehmen kann, es sei denn, es wird ausdrücklich Gegenteiliges angegeben. Es versteht sich auch, dass es sich bei den spezifischen Vorrichtungen und Verfahren, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und in der folgenden Beschreibung beschrieben werden, lediglich um beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte handelt, die in den angefügten Ansprüchen definiert sind. Daher sind spezifische Abmessungen und andere physische Eigenschaften, die sich auf die hier offenbarten Ausführungsformen beziehen, nicht als einschränkend anzusehen, es sei denn, in den Ansprüchen wird ausdrücklich Gegenteiliges angegeben.
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Bezug nehmend auf 1, wird ein Innenraum 10 eines Fahrzeugs 14 gezeigt. Das Fahrzeug 14 umfasst einen fahrerseitigen Bereich 18 und einen beifahrerseitigen Bereich 22. Im Innenraum 10 befindet sich neben anderen Fahrzeugkomponenten, beispielsweise einer Windschutzscheibe 36, eine Instrumententafel 26. Die Instrumententafel 26 befindet sich im Fahrzeug vorn im Innenraum 10, unter der Windschutzscheibe 36. Die Instrumententafel 26 hat einen fahrerseitigen Teil 40, einen Mittelteil 44 und einen beifahrerseitigen Teil 48. Diese Teile der Instrumententafel 26 und bestimmte Bereiche oder Stellen in ihnen haben häufig unterschiedliche mechanische Eigenschaftsanforderungen.
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Für die Zwecke dieser Offenbarung verweist der Ausdruck „außen liegend“ auf die lateralen Seiten oder Bereiche in unmittelbarer Nähe einer fahrerseitigen Tür 52 und einer beifahrerseitigen Tür 56 im Fahrzeug 14. Der Ausdruck „innen liegend“ bezieht sich für die Zwecke dieser Offenbarung auf einen zentralen Bereich im Fahrzeug 14, der von den lateral einander gegenüberliegenden außen liegenden Seiten oder Bereichen aus innen liegt.
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Der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil 40, 48 der Instrumententafel 26 befinden sich in unmittelbarer Nähe zum fahrerseitigen Bereich 18 bzw. beifahrerseitigen Bereich 22 des Fahrzeugs 14. Der fahrerseitige Teil 40 der Instrumententafel 26 umfasst ein Kombiinstrument 60, das von einer Kombiinstrumentenhaube 64 bedeckt ist. Unter dem Kombiinstrument 60 befindet sich eine Lenksäule 68. Die Lenksäule 68 wird durch die Instrumententafel 26 gestützt und greift in ein Lenksystem (nicht dargestellt) ein, das sich im Fahrzeug vor der Instrumententafel 26 befindet. Die Lenksäule 68 verläuft vom Lenksystem durch die Instrumententafel 26 in den Innenraum 10. Die Lenksäule 68 umfasst ein Lenkrad 72, das in der Kabine 10 im fahrerseitigen Bereich 18 des Fahrzeugs 14 verläuft. Das Lenkrad 72 umfasst einen Fahrerairbag 76, der bei einem Fahrzeugkollisionsereignis entfaltet wird. Der fahrerseitige Teil 40 der Instrumententafel 26 als solcher kann hohe mechanische Anforderungen stellen, insbesondere an Stellen, an denen er andere Fahrzeugkomponenten abstützen muss, die variablen Lasten und Bewegung unterliegen, beispielsweise die Lenksäule 68.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1, ist an jeder außen liegenden Seite der Instrumententafel 26 ein seitlicher Luftaustritt 80 angeordnet. Darüber hinaus enthält die Instrumententafel 26 ein Set zentraler Luftaustritte 84, das sich im Mittelteil 44 der Instrumententafel 26 befindet. Der Mittelteil 44 der Instrumententafel 26 befindet sich zwischen dem fahrerseitigen Teil 40 und dem beifahrerseitigen Teil 48. Der Mittelteil 44 umfasst eine Schnittstelle 88, die von den Insassen auf dem fahrerseitigen Bereich 18 und dem beifahrerseitigen Bereich 22 des Fahrzeugs 14 betreibbar ist. Der Mittelteil 44 ist sowohl mit dem fahrerseitigen Teil 40 als auch mit dem beifahrerseitigen Teil 48 der Instrumententafel 26 verbunden.
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Wie ebenfalls in 1 dargestellt, umfasst der beifahrerseitige Teil 48 der Instrumententafel 26 eine Handschuhfachanordnung 110 und eine Beifahrerairbaganordnung 114, die sich über der Anordnung 110 befindet. Die Handschuhfachanordnung 110 umfasst eine Handschuhfachklappe 118, die den Zugang zu einem Handschuhfachraum (nicht dargestellt) ermöglicht. In einigen Ausführungsformen ist die Handschuhfachanordnung 110 eine von der Instrumententafel 26 getrennte Komponente, die während der Herstellung eingeführt und befestigt wird. In weiteren Ausführungsformen wird der Handschuhfachraum der Anordnung 110 integral aus einem Instrumententafelträger 120 (2) der Instrumententafel 26 geformt, und die Handschuhfachklappe 118 ist eine separate Komponente, die während der Herstellung angebracht wird. In Abhängigkeit von der Konfiguration des beifahrerseitigen Teils 48 kann dieser zentrale Bereiche oder Stellen umfassen, die eine zusätzliche mechanische Verstärkung erfordern, beispielsweise, wo er die Handschuhfachanordnung 110 enthält oder diese an ihm befestigt ist.
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Erneut Bezug nehmend auf 1, umfasst die Beifahrerairbaganordnung 114 einen Beifahrerairbagschacht 124 (2) und andere Komponenten, beispielsweise einen Beifahrerairbag, ein Airbaggehäuse und einen Gasgenerator. Während eines Fahrzeugkollisionsereignisses wird der Beifahrerairbag vom Gasgenerator (nicht abgebildet) aufgeblasen, wodurch der Beifahrerairbag aus dem Gehäuse durch den Beifahrerairbagschacht 124 (2) und aus der Instrumententafel 26 heraus expandiert. Das Aufblasen und Entfalten des Airbags erzeugt in den umgebenden Komponenten hohe Belastungen, die bei einer nicht sachgemäßen Verstärkung zu einem strukturellen Ausfall der Instrumententafel 26 führen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Instrumententafelträger 120 (2) der Instrumententafel 26 auch Knieairbaggehäuse für die Insassen des fahrerseitigen Bereichs 18 und des beifahrerseitigen Bereichs 22 umfassen, die potenziell eine zusätzliche Verstärkung erfordern.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 2 umfasst die Instrumententafel 26 den Instrumententafelträger 120 und eine Verstärkung 150. Die Verstärkung 150 befindet sich im Fahrzeug vor dem Träger 120 und ist an mehreren Punkten an den Träger 120 gekoppelt. Der Träger 120 und die Verstärkung 150 können durch eine adhäsive Bindung, Vibrationsschweißen, Warmblechschweißen oder andere Verbindungsarten miteinander gekoppelt werden. Die Verstärkung 150 umfasst einen fahrerseitigen Teil 154, einen Mittelteil 158 und einen beifahrerseitigen Teil 162. Die Verstärkung 150 definiert eine Lenksäulenapertur 166 und eine Handschuhfachaussparung 170 an dem fahrerseitigen Teil 154 bzw. dem beifahrerseitigen Teil 162. Flansche 174 befinden sich im Mittelteil 158 der Verstärkung 150 und verlaufen im Fahrzeug nach hinten, um in einen Mittelteil 180 des Trägers 120 einzugreifen und an diesen gekoppelt zu werden.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt, umfasst der Instrumententafelträger 120 einen fahrerseitigen Teil 184, den Mittelteil 180 und einen beifahrerseitigen Teil 188. Der fahrerseitige Teil 184 des Trägers 120 definiert eine Lenksäulenöffnung 192, die auf die Lenksäulenaussparung 166 der Verstärkung 150 ausgerichtet ist, wenn der Träger 120 und die Verstärkung 150 miteinander gekoppelt werden. Die Lenksäule 68 (1) verläuft sowohl durch die Lenksäulenaussparung 166 als auch durch die Lenksäulenöffnung 192 und ist über eine Lenksäulenmontagefläche 196 am Träger 120 angebracht, wie in 2 gezeigt. Die Lenksäulenmontagefläche 196 befindet sich auf dem Träger 120, in der Nähe der Lenksäulenöffnung 192. In einigen Ausführungsformen kann im Träger 120 in der Nähe der Montagefläche 196 eine Umhüllung für die Lenksäule 68 integral ausgeformt sein. In weiteren Ausführungsformen kann im Träger 120 in der Nähe der Lenksäulenöffnung 192 zum Stützen der Lenksäule 68 ein Montage- oder Stützbügel integral ausgeformt sein. Die Ankopplung der Verstärkung 150 an den Träger 120 bietet für die Montagefläche 196 und letztlich die Instrumententafel 26 eine ausreichende Festigkeit, um das Gewicht der Lenksäule 68 ohne Verwendung eines Fahrzeugquerträgers stützen zu können. Als solche können bestimmte Bereiche oder Stellen im fahrerseitigen Teil 184 des Trägers 120 eine zusätzliche Verstärkung erfordern und/oder von einer zusätzlichen Verstärkung profitieren.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 2 umfasst der Mittelteil 180 des Instrumententafelträgers 120 einen Elektronikschacht 200 zum Unterbringen und Montieren der Schnittstelle 88 (1) sowie weiterer Elektronikkomponenten. Der Mittelteil 180 befindet sich zwischen dem fahrerseitigen Teil 184 und dem beifahrerseitigen Teil 188 des Trägers 120 und ist integral mit diesen beiden Teilen verbunden. In Abhängigkeit von den Elektronikkomponenten und anderen Komponenten, die im Mittelteil 180 eingesetzt werden, könnten zusätzliche lokalisierte Verstärkungen im Träger 120 mit Hybridverbundwerkstoffen in diesen Bereichen Vorteile der mechanischen Leistung und/oder Gewichtseinsparungen bieten.
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Der beifahrerseitige Teil 188 des Instrumententafelträgers 120 definiert eine Handschuhfachöffnung 204 und eine Beifahrerairbaganordnungsöffnung 208 zur Unterbringung der Handschuhfachanordnung 110 (1) bzw. der Beifahrerairbaganordnung 114 (1). In einigen Ausführungsformen kann der Träger 120 so ausgelegt sein, dass er ferner einen Handschuhfachraum und/oder ein Airbaggehäuse als integrale/n Körper definiert, die/der von der Handschuhfachöffnung 204 bzw. der Beifahrerairbaganordnungsöffnung 208 verlaufen. In weiteren Ausführungsformen könnte die Verstärkung 150 dazu ausgelegt sein, einen Handschuhfachraum und/oder ein Airbaggehäuse zu definieren. Der Träger 120 und die Verstärkung 150 können auch dazu ausgelegt sein, Knieairbaggehäuse zu definieren.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt, befindet sich zwischen dem Instrumententafelträger 120 und der Verstärkung 150 ein Kanal 212. Wenn der Kanal 212 mit der Verstärkung 150 verbunden ist, überträgt er Luft. Die Luft strömt durch den Kanal 212 zu einer Gruppe von Trägerlüftungsöffnungen 216, die die Luft zur Seite leiten, und zentralen Luftaustritten 80, 84 der Instrumententafel 26 (1). Angebracht an der Verstärkung 150 ist eine Sammelschelle 220, die mit einer Feuerschutzwand (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 14 verbunden ist. Die Sammelschelle 220 verhindert ein Biegen der Instrumententafel 26 in einer im Fahrzeug nach vorn oder hinten gerichteten Richtung. Die Sammelschelle 220 kann auch zusätzliche Abstützung für die Lenksäule 68 (1) bieten, die mit dem Träger 120 gekoppelt ist.
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Erneut Bezug nehmend auf 2, wird der Instrumententafelträger 120 entsprechend einer Ausführungsform dieser Offenbarung aus einem Hybridverbundmaterial geformt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der fahrerseitige Teil 184 aus einem Nylonharz geformt sein, in dem sich zerkleinerte Kohlenstofffasern befinden. Der beifahrerseitige Teil 188 kann aus einem Nylonharz geformt sein, wobei sich in dem Harz zerkleinerte Glasfasern befinden. Im Allgemeinen können Bereiche im Träger 120 mit höheren Anteilen zerkleinerter Kohlenstofffasern verbesserte mechanische Eigenschaften (beispielsweise Härte, Zugfestigkeit, Ermüdungswiderstand) aufweisen. Die Kohlenstofffaservolumenfraktion und die Glasfaservolumenfraktion im beifahrerseitigen und im fahrerseitigen Teil 184, 188 können zwischen etwa 1 % und etwa 60 % liegen; vorzugsweise zwischen etwa 15 % und etwa 40 % und noch stärker bevorzugt zwischen etwa 30 % und etwa 40 %. In einigen Ausführungsformen kann sich die Faservolumenfraktion im fahrerseitigen Teil 184 von der Faservolumenfraktion im beifahrerseitigen Teil 188 des Trägers 120 unterscheiden. In zusätzlichen Ausführungsformen sind Bereiche des Trägers 120, die erwartungsgemäß hohen Belastungen ausgesetzt sind, dazu ausgelegt, größere Faservolumenfraktionen zerkleinerter Kohlenstofffasern zu beinhalten, als Bereiche, in denen nicht mit hohen Belastungen zu rechnen ist. Beispielsweise kann die Montagefläche 196 im Vergleich zum Rest des fahrerseitigen Teils 184 des Trägers 120 eine größere Faservolumenfraktion beinhalten, um das Abstützen der Lenksäule 68 zu unterstützen. In einem anderen Beispiel können die Oberflächen des Instrumententafelträgers 120 und der Verstärkung 150, die beim Entfalten des Airbags hohen Belastungen ausgesetzt sind, größere Faservolumenfraktionen beinhalten. In weiteren Ausführungsformen können der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil 184, 188 des Trägers 120 mehr als zwei Verbundmaterialien beinhalten.
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In einigen Ausführungsformen können die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Instrumententafelträgers 120 eingesetzten Fasern aus Materialien wie Kohlenstoffen, Aramiden, Aluminiummetallen, Aluminiumoxiden, Stählen, Bor, Silika, Siliciumkarbiden, Siliciumnitriden, Polyethylenen mit einer ultrahohen relativen Molekülmasse, A-Gläsern, E-Gläsern, E-CR-Gläsern, C-Gläsern, D-Gläsern, R-Gläsern und S-Gläsern bestehen. Der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil 184, 188 können auch mehr als eine Faserart enthalten. In einigen Ausführungsformen können die zerkleinerten Fasern zwischen etwa 3 mm und etwa 11 mm, und stärker bevorzugt zwischen etwa 5 mm und etwa 7 mm lang sein. Normalerweise sind die Fasern in den Harzen des fahrerseitigen und des beifahrerseitigen Teils 184, 188 beliebig ausgerichtet. In Bereichen des Trägers 120, die hohen direktionalen Belastungen ausgesetzt sind, können sie jedoch auch im Wesentlichen direktional ausgerichtet sein Darüber hinaus können die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 eingesetzten Harze ein Nylon, ein Polypropylen, ein Epoxydharz, einen Polyester, einen Vinylester, ein Polyetheretherketon, ein Poly(phenylensulfid), ein Polyetherimid, ein Polycarbonat, ein Silikon, ein Polyimid, ein Poly(ethersulfon), ein Melamin-Formaldehyd, ein Phenol-Formaldehyd und ein Polybenzimidazol oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen kann sich das Harz des fahrerseitigen Teils 184 von dem im beifahrerseitigen Teil 188 des Trägers 120 eingesetzten Harz unterscheiden. Es versteht sich auch, dass die Verstärkung 150 und ihr fahrerseitiger Teil 154, ihr Mittelteil 158 und ihr beifahrerseitiger Teil 162 mit Hybridverbundmaterialien hergestellt werden können, die vergleichbar sind mit den oben in Verbindung mit dem Träger 120 beschriebenen. Beispielsweise kann der fahrerseitige Teil 154 der Verstärkung 150 aus einem Nylonharz geformt sein, wobei sich in dem Harz zerkleinerte Kohlenstofffasern befinden. Der beifahrerseitige Teil 162 kann aus einem Nylonharz geformt sein, wobei sich in dem Harz zerkleinerte Glasfasern befinden. Darüber hinaus kann die Volumenfraktion der Fasern in den Harzen, vorzugsweise die zerkleinerten Kohlenstofffasern, in Bereichen, die höheren Belastungen ausgesetzt sind, größer als im Rest der Verstärkung 150 sein.
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Noch immer Bezug nehmend auf 2 werden die zerkleinerten Kohlenstoff- und Glasfasern so im Träger 120 der Instrumententafel 26 segregiert, dass die Kohlenstofffasern im Wesentlichen im fahrerseitigen Teil 184 des Trägers 120 konzentriert sind und die Glasfasern im Wesentlichen im beifahrerseitigen Teil 188 des Trägers 120 konzentriert sind. Der Mittelteil 180 des Trägers 120 besteht im Allgemeinen sowohl aus zerkleinerten Kohlenstofffasern als auch aus zerkleinerten Glasfasern. Bei einigen Ausführungsformen kann der Mittelteil 180 primär Kohlenstofffasern oder primär Glasfasern beinhalten. In weiteren Ausführungsformen können die primär im fahrerseitigen Teil 184 enthaltenen Kohlenstofffasern teilweise auch den beifahrerseitigen Teil 188 des Trägers 120 belegen. In weiteren Ausführungsformen können die primär im fahrerseitigen Teil 184 enthaltenen Kohlenstofffasern auch Teile des Trägers 120 belegen, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, ungeachtet der beifahrerseitigen oder fahrerseitigen Ausrichtung. Beispielsweise können die im oder am Träger 120 oder in oder an der Verstärkung 150 befindlichen Airbagentfaltungsoberflächen zur zusätzlichen mechanischen Verstärkung höhere Kohlenstofffaseranteile beinhalten. Die Segregation der Fasern, beispielsweise der zerkleinerten Kohlenstoff- und Glasfasern, im Träger 120 gestattet es den Fasern mit einer höheren Festigkeit, beispielsweise den Kohlenstofffasern, selektiv dort eingesetzt zu werden, wo für den Träger 120 ein besonders hoher Festigkeitsbedarf besteht, beispielsweise zum Stützen der Lenksäule 68. Die selektive Verwendung hoher Anteile an Kohlenstofffasern basierend auf der fahrer-/beifahrerseitigen Ausrichtung relativ zum Fahrzeug 14 gestattet dadurch, dass teurere Kohlenstofffasern nur bei Notwendigkeit effektiv eingesetzt werden, Kosteneinsparungen.
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Wie auch in der 2 gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen an der Schnittstelle zwischen dem fahrerseitigen und dem beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Instrumententafelträgers 120 ein Grenzbereich 240 existieren. Der Grenzbereich 240 umfasst eine Mischung beider Typen von Fasern und Harz(en), die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Trägers 120 eingesetzt werden. Die Mischung von Fasern innerhalb des Grenzbereichs 240 gewährleistet, dass zwischen den aus unterschiedlichen Verbundmaterialien bestehenden Teilen des Trägers 120 eine integrale Verbindung besteht. In einer Ausführungsform kann sich der Grenzbereich 240 über den gesamten Mittelteil 180 des Trägers 120 erstrecken oder diesen Teil anderweitig umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann der Grenzbereich 240 möglicherweise nur zwischen dem Mittelteil 180 und dem beifahrerseitigen Teil 188 oder zwischen dem fahrerseitigen Teil 184 und dem Mittelteil 180 des Trägers 120 präsent sein. Der Grenzbereich 240 kann sich auch an einer beliebigen Stelle im Träger 120 befinden, wo sich eine Schnittstelle zwischen Teilen des Trägers 120 befindet, die unterschiedliche Faserfraktionen, Fasertypen und/oder Harze enthält. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der fahrerseitige Teil 184 eine Volumenfraktion von etwa 30 % bis 40 % zerkleinerter Kohlenstofffasern in einem Harz enthalten, der beifahrerseitige Teil 188 kann eine Volumenfaktion von etwa 30 % bis 40 % zerkleinerter Glasfasern im Harz enthalten, und der Mittelteil 180 oder der Grenzbereich 240 können eine Volumenfraktion von etwa 15 % bis 20 % zerkleinerter Kohlenstofffasern und eine Volumenfraktion von etwa 15 % bis 20 % zerkleinerter Glasfasern im Harz enthalten. In dieser Konfiguration ist der fahrerseitige Teil 184 mit höheren Anteilen an zerkleinerten Kohlenstofffasern im Vergleich zu anderen Teilen des Trägers 120 besonders verstärkt.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann der Instrumententräger 120 und/oder die Verstärkung 150 der Instrumententafel 26 zusätzlich zu den Teilen, die in einem Harz oder in Harzen zerkleinerte Fasern enthalten, eine oder mehrere vorgeformte Fasermatte(n) enthalten. Die vorgeformten Fasermatten können gewebte oder ungewebte Fasern enthalten, die durch dieselben oder unterschiedliche Harze zusammengehalten werden, die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Trägers 120 eingesetzt wurden. Die Matten können auch Fasern enthalten, die unterschiedliche Abmessungen als die Fasern, die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Trägers 120 eingesetzt wurden, aufweisen. In ähnlicher Weise können die Fasern der Matten entweder kontinuierlich oder zerkleinert konfiguriert sein. Die Fasern der Matten können auch aus einem Material bestehen, das eine gleiche oder eine verschiedene Zusammensetzung als die der Fasern, die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Trägers 120 eingesetzt werden, aufweist. Die Matten können in Bereichen des Trägers 120 und/oder der Verstärkung 150 integriert werden, die hohe oder niedrige Faservolumenfraktionen enthalten. Mehrere Matten können genutzt und in wechselnden Ausrichtungen geschichtet werden, um die mechanischen Eigenschaften des Trägers 120 und/oder der Verstärkung 150 an bestimmten Stellen weiter zu verbessern. Exemplarische Stellen im Träger 120 zur Platzierung der Matte können die Lenksäulenmontagefläche 196, die Airbaganordnungsöffnung 208, die Handschuhfachöffnung 204, Verbindungsstellen zwischen der Verstärkung 150 und dem Träger 120 sowie andere Stellen, die erwartungsgemäß höheren Belastungen als in anderen Bereichen des Trägers 120 ausgesetzt sind, umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Die Nutzung eines kohlenstofffaserhaltigen Hybridverbundwerkstoffs im Träger 120 und in der Verstärkung 150 erlaubt, dass das Fahrzeug 14 ohne Fahrzeugquerträger entworfen und produziert wird. Konventionelle Fahrzeugquerträger sind dicke Metallkomponenten, die traditionell zum Stützen der Instrumententafel 26 und der Lenksäule 68 des Fahrzeugs 14 verwendet werden. Zusätzlich zur wesentlichen Erhöhung des Gewichts des Fahrzeugs 14 nimmt der Fahrzeugquerträger auch potenziellen Ablageplatz hinter der Instrumententafel 26 ein und behindert die Platzierung der Beifahrerairbaganordnung und der Handschuhfachanordnung 110. Ohne den Fahrzeugquerträger kann das Fahrzeug 14 eine größere Kraftstoffeffizienz sowie einen größeren Spielraum bei der Gestaltung der Instrumententafel 26 und seiner Unterbaugruppen erreichen.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 3 können die vorstehenden Aspekte des Instrumententafelträgers 120 und der Verstärkung 150 (siehe die 1 und 2 und die entsprechende Beschreibung) auf andere Komponenten erweitert werden, beispielsweise eine Fahrzeugkomponente 250. Hier hat die Komponente 250 einen ersten Teil 254, der ein erstes Fasermaterial 258 in einem ersten Harz 262 umfasst. Die Komponente 250 hat außerdem einen zweiten Teil 266, der ein zweites Fasermaterial 270 in einem zweiten Harz 274 umfasst. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil 254, 266 der Komponente 250 befindet sich ein Komponentengrenzbereich 278, der eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Fasermaterial 258, 270 innerhalb des ersten und des zweiten Harzes 262, 274 beinhaltet. Der erste und der zweite Teil 254, 266 können in wesentlicher Nähe des beifahrerseitigen Bereichs 18 bzw. des fahrerseitigen Bereichs 22 verlaufen (1). Wie in 3 schematisch dargestellt, kann es sich bei der Komponente 250 um einen Dachhimmel für den Innenraum 10 des Fahrzeugs 14 handeln. Es versteht sich jedoch, dass die Komponente 250 auch eine andere Komponente sein kann, die sich im Inneren des Fahrzeugs 14 oder auf dem Fahrzeug 14 befindet (1) und die zur Herstellung aus einem Hybridverbundwerkstoff entsprechend den vorstehenden Prinzipien geeignet ist. Das erste und das zweite Fasermaterial 258, 270 der Komponente 250 können aus der im Träger 120 eingesetzten Gruppe von Fasern ausgewählt werden. Darüber hinaus können das erste und das zweite Fasermaterial 258, 270, die im ersten und im zweiten Teil 254, 266 eingesetzt werden, dieselben oder vergleichbare Faserlängen- und Faservolumenfraktionen wie die des fahrerseitigen und des beifahrerseitigen Teils 184, 188 des Trägers 120 aufweisen. Auf ähnliche Weise können das erste und das zweite Harz 262, 274 der Komponente 250 hinsichtlich ihrer Zusammensetzung mit dem Harz oder den Harzen vergleichbar sein, die im Träger 120 eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Komponente 250 eine Fasermatte enthalten, die mit der zuvor in Verbindung mit dem Träger 120 beschriebenen Fasermatte vergleichbar ist.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 4, wird ein Spritzgießsystem 300 dargestellt, das entsprechend einer Ausführungsform einen Heizer 302, eine Pumpe 304, eine Steuerung 308, eine Form 312 und ein Paar Einspritzleitungen 316 umfasst. Der Heizer 302 schmelzt einen ersten Verbundwerkstoff 230 und einen zweiten Verbundwerkstoff 234, und die Pumpe 304 setzt den geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 unter Druck und drückt diese Werkstoffe durch die Einspritzleitungen 316 über Verbindungsanschlüsse 320 in die Form 312. Die Pumpe 304 kann hohe Fluiddrücke produzieren, die es erlauben, dass der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 mit hohen Drücken und Geschwindigkeiten in die Form 312 eingespritzt werden. Jede Einspritzleitung 316 greift in einen der Verbindungsanschlüsse 320 an der Form 312 ein, sodass der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 an unterschiedlichen Stellen in die Form 312 gelangen können. In einigen Ausführungsformen des Systems 300 können mehr als zwei Verbundmaterialien in die Form 312 eingespritzt werden. In diesen Konfigurationen kann das Spritzgießsystem 300 separate Einspritzleitungen 316 für jedes Material umfassen, und die Form 312 kann separate Verbindungsanschlüsse 320 für jede zusätzliche Einspritzleitung 316 enthalten.
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Während des Verfestigens sind das erste und das zweite Verbundmaterial 230, 234 aus 4 zum Formen einer finalen Komponente geeignet, beispielsweise des Instrumententafelträgers 120, der Verstärkung 150, der Komponente 250. Der erste Verbundwerkstoff 230 umfasst im ersten Harz 262 das erste Fasermaterial 258. Auf ähnliche Weise umfasst der zweite Verbundwerkstoff 234 im zweiten Harz 274 das zweite Fasermaterial 270. Dementsprechend können das erste und das zweite Fasermaterial 258, 270 sowie das erste und das zweite Harz 262, 274 aus irgendeiner/m der jeweiligen Fasern und Harzen bestehen, die in Verbindung mit dem Instrumententafelträger 120, der Verstärkung 150 oder der Komponente 250 offenbart wurden.
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Erneut Bezug nehmend auf 4, umfasst die Form 312 eine A-Platte 324 und eine B-Platte 328, wobei jede Platte etwa die Hälfte eines Hohlraums 332 der Form 312 definiert. Die A-Platte 324 umfasst die Verbindungsanschlüsse 320, durch die das erste und das zweite Verbundmaterial 230, 234 in die Form 312 gelangen. Die A-Platte 324 und die B-Platte 328 können jeweils einen Abdruck von einer Hälfte der finalen Fahrzeugkomponente (beispielsweise der Fahrzeugkomponente 250, des Trägers 120, der Verstärkung 150 usw.) enthalten, sodass bei einem Schließen der Form 312 die negativen Abdrücke den Formhohlraum 332 mit den annähernden Abmessungen der finalen Komponente definieren. In einigen Ausführungsformen kann die Form 312 Einlagen und/oder Unterbaugruppen umfassen, die das Formen der finalen Komponente unterstützen.
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Wie in 5A gezeigt, hat die Form 312, wenn sie dazu ausgelegt ist einen Träger 120 zu bilden, einen fahrerseitigen Teil 336, einen Mittelteil 340 und einen beifahrerseitigen Teil 344, die so ausgerichtet sind, dass sie die jeweiligen Teile 184, 180, 188 des Trägers 120 formen (2). Während des Einspritzens des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 wird auf die Form 312 ein Druck ausgeübt, sodass die A-Platte 324 und die B-Platte 328 zusammengedrückt werden. Die auf die Form 312 wirkende Kraft verhindert die Formtrennung und das Auftreten von Graten am Träger 120. Während die Form 312 in 5A geschlossen dargestellt ist, kann sie durch ein Trennen der A-Platte 324 und der B-Platte 328 geöffnet werden. Während die Form 312 geöffnet ist, kann der Träger 120 entformt werden, und die Form 312 und der Hohlraum 332 können dann gereinigt werden. Das Spritzgießsystem 300 mit der Form 312 kann ähnlich wie vorstehend beschrieben auch zum Formen der Verstärkung 150, der Sammelschelle 220, der Fahrzeugkomponente 250 oder mehreren anderen Fahrzeugkomponenten verwendet werden, die für die Herstellung mit Hybridverbundwerkstoffen geeignet sind.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 6, wird eine schematische Darstellung eines Verfahrens 360 geboten, das zur Bildung einer finalen Komponente, beispielsweise des Trägers 120 der Instrumententafel 26, ausgelegt ist. Das Verfahren 360 umfasst fünf primäre Schritte, und zwar die Schritte 364, 368, 372, 376 und 380. Das Verfahren 360 beginnt mit dem Schritt 364, dem Schmelzen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234, gefolgt vom Schritt 368, dem Vorbereiten des Spritzgießsystems 300. Danach wird der Schritt 372, das Einspritzen des ersten und des zweiten geschmolzenen Verbundmaterials 230, 234 in den Hohlraum 332 der Form 312, ausgeführt. Dann wird der Schritt 376, das Abkühlen des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234, ausgeführt, um die finale Komponente, beispielsweise den Träger 120 der Instrumententafel 26, zu formen. Abschließend wird der Schritt 380, das Entfernen der finalen Komponente aus der Form 312, ausgeführt.
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Bezug nehmend auf die 4–6, umfasst der Schritt 364 das Aufheizen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 im Heizer 302 auf eine zum Schmelzen der Harzkonstituenten ausreichende Temperatur. Wenn die Harze geschmolzen sind, kann die Pumpe 304 den geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 durch die Einspritzleitungen 316 und über die Verbindungsanschlüsse 320 in den Hohlraum 332 der Form 312 drücken. Der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 können bei einer Temperatur zwischen 100°C und 400°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 210°C und 275°C, eingespritzt werden, insbesondere dann, wenn sie Nylonharze umfassen. Der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 werden normalerweise auf eine ausreichend hohe Temperatur überhitzt, um zu verhindern, dass sie sich vor dem Erreichen des Hohlraums 332 in den Einspritzleitungen 316 vorzeitig verfestigen. Im vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Überhitzen“ auf den Temperaturunterschied zwischen der Schmelztemperatur und der Einspritztemperatur des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234. Das Überhitzen ist auch notwendig, um sicherzustellen, dass der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 eine ausreichend niedrige Viskosität haben, um in die schmalen Bereiche des Hohlraums 332 eindringen zu können. Die Verbundwerkstoffe 230, 234 können zwischen 10°C und 50°C überhitzt werden. In Abhängigkeit von den für die Verbundwerkstoffe 230, 234 ausgewählten Zusammensetzungen, der Geometrie der Form 312 und weiteren Bedingungen können andere Einspritztemperaturen und Überhitzungsbedingungen angemessen sein.
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Der Schritt 368, das Vorbereiten des Spritzgießsystems 300, kann solche Aufgaben wie das Vorheizen der Form 312, das Vorfüllen der Einspritzleitungen 316 und/oder das Platzieren einer vorgefertigten Fasermatte oder mehrerer Matten im Hohlraum 332 der Form 312 umfassen. Der Schritt 372, das Einspritzen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 kann eine Dauer von zwischen 5 und 30 Sekunden haben, stärker bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 20 Sekunden. Bei komplexeren Geometrien des Hohlraums 332 der Form und/oder der Verwendung von Zusammensetzungen für die Verbundwerkstoffe 230, 234, die eine geringere Schmelzviskosität haben, kann auch eine andere Dauer angemessen sein. In einigen Ausführungsformen kann das Einspritzen des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 gleichzeitig erfolgen, während in weiteren Ausführungsformen jeder Verbundwerkstoff separat eingespritzt wird. Während des Einspritzschrittes 372 werden der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 in den fahrerseitigen Teil 336 bzw. den beifahrerseitigen Teil 344 der Form 312 eingespritzt (siehe 5A), wodurch eine substanzielle Segregation der Fasern in der finalen Komponente, beispielsweise im Träger 120, verursacht wird. Die Verbundwerkstoffe 230, 234 können auch an anderen Punkten in den Hohlraum 332 eingespritzt werden, um die gewünschte Segregation oder andere Eigenschaften zu erreichen.
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Erneut Bezug nehmend auf die 4–6, tritt Schritt 376, das Abkühlen des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 zum Formen der finalen Komponente, beispielsweise des Trägers 120, auf, während die Form 312 unter Druck gehalten und abgekühlt wird. Um das Verfestigen der finalen Komponente zu fördern, kann die Form 312 mit Wasser oder mit Luft gekühlt werden. Nach dem Verfestigen des Trägers 120 wird die Form geöffnet, und durch Betätigen einer Serie von Auswerferstiften (nicht dargestellt) zum Auswerfen der finalen Komponente von der B-Platte 328 der Form 312 wird der Schritt 380, das Entfernen der finalen Komponente ausgeführt.
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Nunmehr besonders Bezug nehmend auf 5A, ist ein Querschnitt der Form 312 dargestellt, die dazu ausgelegt ist, während des Schrittes 372, das Einspritzen des ersten und des zweiten Verbundmaterials 230, 234 in den Hohlraum 332 der Form 312, den Träger 120 zu produzieren. Der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 werden durch eine Serie von Speisern (nicht dargestellt) eingespritzt. Der Hohlraum 332 kann durch Einspritzen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 in den fahrerseitigen Teil 336 bzw. den beifahrerseitigen Teil 344 des Hohlraums 332 gefüllt werden. Nach dem Einlaufen in die Form 312 strömen der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 durch den Hohlraum 332 flüssig aufeinander zu.
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Nunmehr Bezug nehmend auf die 5B, strömen der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 an einer vorbestimmten Stelle im Hohlraum 332 weiter aufeinander zu, um gemeinsam den Grenzbereich 240 zu bilden. Der Grenzbereich 240 umfasst eine Mischung von Fasern und Harzen aus dem ersten und dem zweiten Verbundwerkstoff 230, 234, und kann eine Breite zwischen 1 mm und 50 mm haben. Die Position und Breite des Grenzbereichs 240 wird durch den Entwurf der Form 312, die Verarbeitungsparameter des Spritzgießsystems 300 und die für den ersten und den zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 gewählte besondere Zusammensetzung gesteuert. Die Verarbeitungsparameter können durch die Steuerung 308 (4) geregelt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform können während des Einspritzschrittes 372 mehr als zwei Verbundwerkstoffmaterialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in den Hohlraum 332 eingespritzt werden. In dieser Konfiguration kann es einen Grenzbereich 240 zwischen jedem der Verbundmaterialien geben, sodass sich die Zusammensetzung jedes Grenzbereichs 240 voneinander unterscheidet. Beim Abkühlen und Verfestigen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 schafft die Mischung der Harze und Fasern im Grenzbereich 240 zwischen dem ersten und dem zweiten Verbundmaterial 230, 234 eine integrale Verbindung, wodurch der Träger 120 oder andere finale Komponenten zusammengehalten werden.
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Es versteht sich, dass Variationen und Modifizierungen an der oben erwähnten Struktur vorgenommen werden können, ohne von den Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte die vorliegende Offenbarung eines Hybridverbundwerkstoffs und seines Verfahrens zur Herstellung gleichermaßen auf den Grill eines Kraftfahrzeugs angewendet werden. Die Befestigungspunkte in einem Grill aus Hybridverbundwerkstoff können beispielsweise eine zusätzliche Verstärkung in Form zerkleinerter Kohlenstofffasern erfordern. Darüber hinaus versteht es sich, dass solche Konzepte von den folgenden Ansprüchen abgedeckt sein sollen, solange diese Ansprüche nicht ausdrücklich etwas anderes aussagen.
