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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung und beansprucht die Priorität und alle Vorteile unter 35 U.S.C. § 120 der am 6. Mai 2014 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/270,951 mit dem Titel „HYBRID COMPOSITE INSTRUMENT PANEL“, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verbundwerkstoffkomponentenkonzepte, insbesondere jedoch Fahrzeuginstrumententafelkonzepte sowie Verfahren für ihre Herstellung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Fahrzeugen werden immer häufiger leichtgewichtige Komponenten und Konzepte verwendet, um das Fahrzeuggewicht zu verringern, insbesondere in großen Fahrzeuginnenraumkomponenten wie Instrumententafeln. Gewichtsreduzierungen können die Leistung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit 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 Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs aufgerechnet zu werden. Darüber hinaus werden diese festeren Verbundmaterialien häufig in großen Fahrzeugkomponenten eingesetzt, in denen nur ein oder eine Handvoll Regionen tatsächlich eine höhere mechanische Leistung erfordern.
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Dementsprechend besteht Bedarf an leichter gewichtigen Fahrzeugkomponenten, die im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugkomponenten eine bessere oder vergleichbare mechanische Leistung aufweisen. Außerdem ist es notwendig, die mechanischen Eigenschaften in bestimmten Regionen innerhalb dieser Komponenten für die jeweilige Anwendung gezielt anzupassen, um damit den Einsatz kostspieliger Verstärkungsmaterialien zu minimieren und die mechanischen Eigenschaftsverbesserungen – sofern dies in der Komponente erforderlich ist – zu maximieren.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung umfasst eine Fahrzeuginstrumententafel ein Substrat, das eine erste Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern und eine erste Gruppe von mehreren zerkleinerten Glasfasern innerhalb eines ersten Nylonharzes aufweist. Die erste Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern und die erste Gruppe von mehreren Glasfasern in dem Substrat werden so segregiert, dass die Kohlenstofffasern und die Glasfasern jeweils im Wesentlichen innerhalb des fahrerseitigen bzw. des beifahrerseitigen Teils des Substrats konzentriert sind. Eine Verstärkung ist mit dem Substrat gekoppelt und umfasst eine zweite Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern innerhalb eines zweiten Nylonharzes. Eine Verstärkungsrippe wird von der Verstärkung integral definiert. Die Verstärkungsrippe ist im Wesentlichen hohl und auf einem fahrerseitigen Teil der Verstärkung positioniert. Eine Substratrippe wird von dem Substrat integral definiert. Die Substratrippe ist im Wesentlichen hohl und auf dem fahrerseitigen Teil des Substrats positioniert. Die Substratrippe und die Verstärkungsrippe sind miteinander verbunden.
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Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung umfasst eine Fahrzeuginstrumententafel ein erstes Element, das ein Fasermaterial innerhalb eines ersten Harzes aufweist. Das erste Element definiert eine erste hohle Rippe. Ein zweites Element ist mit dem ersten Element gekoppelt und weist einen fahrerseitigen Teil, einen beifahrerseitigen Teil und einen Mittelteil auf. Das zweite Element definiert eine zweite hohle Rippe im fahrerseitigen Teil, der mit der ersten hohlen Rippe verbunden ist. Der fahrerseitige Teil umfasst ein erstes Fasermaterial innerhalb eines zweiten Harzes, der beifahrerseitige Teil umfasst ein zweites Fasermaterial innerhalb des zweiten Harzes, und der Mittelteil umfasst eine Mischung aus dem ersten und zweiten Fasermaterial innerhalb des zweiten Harzes.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt dieser Erfindung umfasst eine Fahrzeuginstrumententafel eine Verstärkung, die eine Gruppe aus mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern innerhalb eines Nylonharzes aufweist. Die Verstärkung weist eine hohle Verstärkungsrippe auf. Ein Substrat ist mit der Verstärkung gekoppelt und umfasst eine Gruppe aus mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern und zerkleinerten Glasfasern, die jeweils in einen fahrerseitigen und einen beifahrerseitigen Teil segregiert sind. Das Substrat weist eine hohle Substratrippe auf. Die Verstärkungsrippe und die Substratrippe sind miteinander verbunden.
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Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute durch Verweis auf die folgende Beschreibung, Ansprüche und angehängten Zeichnungen weiter verständlich und offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen:
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1 ist eine perspektivische Vorderansicht einer Fahrzeuginstrumententafel in einem Fahrzeug entsprechend einer Ausführungsform;
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2 ist eine auseinander gezogene perspektivische Draufsicht auf die in 1 gezeigte Instrumententafel;
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2A ist eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIA-IIA;
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2B ist eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIB-IIB;
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2C ist eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIC-IIC;
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2D ist eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IID-IID;
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2E ist eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIE-IIE;
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3 ist eine Querschnittsansicht der Instrumententafel von 2 in der Anordnung entlang einer Linie III-III;
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4 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein Spritzgießsystem entsprechend einer weiteren Ausführungsform;
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5A ist 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 ist eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 4 während eines Schrittes des Mischens der geschmolzenen Verbundwerkstoffe entlang einer Linie X-X;
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5C ist eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 4 während eines Schrittes des Injizierens von Gas in die 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 anderen Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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 beiliegenden Ansprüchen definiert sind. Daher sind spezifische Abmessungen und andere physikalische 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 dargestellt. Das Fahrzeug 14 umfasst eine fahrerseitige Region 18 und eine beifahrerseitige Region 22. Im Innenraum 10 befindet sich neben anderen Fahrzeugkomponenten, beispielsweise einer Windschutzscheibe 36, eine Instrumententafel 26. Die Instrumententafel 26 befindet sich im Fahrzeug vor dem Beifahrersitz im Innenraum 10 und im Allgemeinen 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 Regionen 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 Regionen 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 Regionen aus innen liegt.
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Der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil 40, 48 der Instrumententafel 26 befinden sich in unmittelbarer Nähe zur fahrerseitigen Region 18 bzw. beifahrerseitigen Region 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 erstreckt sich vom Lenksystem durch die Instrumententafel 26 in den Innenraum 10. Die Lenksäule 68 weist ein Lenkrad 72 auf, das im Innenraum 10 in der fahrerseitigen Region 18 des Fahrzeugs 14 angeordnet ist. Das Lenkrad 72 umfasst einen Fahrerairbag 76, der bei Auftreten eines ausreichenden Fahrzeugkollisionsereignisses 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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An jeder außen liegenden Seite der Instrumententafel 26 ist 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 sowohl von den Insassen in der fahrerseitigen Region 18 als auch der beifahrerseitigen Region 22 des Fahrzeugs 14 bedienbar 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 Fahrzeugherstellung eingeführt und befestigt wird. In anderen Ausführungsformen wird der Handschuhfachraum der Anordnung 110 integral aus einem Instrumententafelsubstrat 120 (2) der Instrumententafel 26 geformt, und die Handschuhfachklappe 118 ist eine separate Komponente, die während der Herstellung angebracht wird. In Abhängigkeit von der Auslegung des beifahrerseitigen Teils 48 kann dieser zentrale Regionen 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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Die Beifahrerairbaganordnung 114 umfasst 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 Versagen der Instrumententafel 26 führen können. In einigen Ausführungsformen kann das Instrumententafelsubstrat 120 (2) der Instrumententafel 26 auch Knieairbaggehäuse sowohl für die Insassen der fahrerseitigen Region 18 als auch der beifahrerseitigen Region 22 umfassen, die potenziell eine zusätzliche Verstärkung erfordern.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 2, umfasst die Instrumententafel 26 das Instrumententafelsubstrat 120 und eine Verstärkung 150. Die Verstärkung 150 befindet sich im Fahrzeug vor dem Substrat 120 und ist an mehreren Punkten an das Substrat 120 gekoppelt. Das Substrat 120 und die Verstärkung 150 können durch eine Klebeverbindung, Vibrationsschweißen, Warmblechschweißen oder andere Verbindungsformen miteinander gekoppelt werden. Die Verstärkung 150 umfasst einen fahrerseitigen Teil 154, einen Mittelteil 158 und einen beifahrerseitigen Teil 162. Die Verstärkung 150 definiert eine Lenksäulenaussparung 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 Substrats 120 einzugreifen und an dieses gekoppelt zu werden.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt, umfasst das Instrumententafelsubstrat 120 einen fahrerseitigen Teil 184, den Mittelteil 180 und einen beifahrerseitigen Teil 188. Der fahrerseitige Teil 184 des Substrats 120 definiert eine Lenksäulenöffnung 192, die auf die Lenksäulenaussparung 166 der Verstärkung 150 ausgerichtet ist, wenn das Substrat 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 Substrat 120 angebracht, wie in 2 gezeigt. Die Lenksäulenmontagefläche 196 befindet sich auf dem Substrat 120 in der Nähe der Lenksäulenöffnung 192. In einigen Ausführungsformen kann im Substrat 120 in der Nähe der Montagefläche 196 eine Umhüllung für die Lenksäule 68 integral ausgeformt sein. In anderen Ausführungsformen kann im Substrat 120 in der Nähe der Lenksäulenöffnung 192 zum Stützen der Lenksäule 68 ein Montage- oder Stützbügel integral ausgeformt sein. Die Kopplung der Verstärkung 150 an das Substrat 120 bietet für die Montagefläche 196 und letztlich die Instrumententafel 26 eine ausreichende Festigkeit, um das Gewicht der Lenksäule 68 ohne Verwendung eines Fahrzeugquerträgers zu stützen. Als solche können bestimmte Regionen oder Stellen im fahrerseitigen Teil 184 des Substrats 120 eine zusätzliche Verstärkung erfordern und/oder von einer zusätzlichen Verstärkung profitieren.
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Der Mittelteil 180 des Instrumententafelsubstrats 120 umfasst einen Elektronikschacht 200 zum Unterbringen und Montieren der Schnittstelle 88 (1) sowie anderer Elektronikkomponenten. Der Mittelteil 180 befindet sich zwischen dem fahrerseitigen Teil 184 und dem beifahrerseitigen Teil 188 des Substrats 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 Substrat 120 mit Hybridverbundwerkstoffen in diesen Regionen Vorteile der mechanischen Leistung und/oder Gewichtseinsparungen bieten.
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Der beifahrerseitige Teil 188 des Instrumententafelsubstrats 120 definiert eine Handschuhfachöffnung 204 und eine Beifahrerairbaganordnungsöffnung 208 zur Unterbringung der Handschuhfachanordnung 110 (1) bzw. der Beifahrerairbaganordnung 114 (1). In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 120 so ausgelegt sein, dass es ferner einen Handschuhfachraum und/oder ein Airbaggehäuse als integrale/n Körper definiert, die/der von der Handschuhfachöffnung 204 bzw. der Beifahrerairbaganordnungsöffnung 208 verlaufen. In anderen Ausführungsformen könnte die Verstärkung 150 dazu ausgelegt sein, einen Handschuhfachraum und/oder ein Airbaggehäuse zu definieren. Das Substrat 120 und die Verstärkung 150 können auch dazu ausgelegt sein, Knieairbaggehäuse zu definieren.
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Ein Kanal 212 befindet sich zwischen dem Instrumententafelsubstrat 120 und der Verstärkung 150. Der Kanal 212 leitet Luft, wenn er mit der Verstärkung 150 verbunden ist. Die Luft strömt durch den Kanal 212 zu einem Set von Substratlüftungsöffnungen 216, die die Luft zu den seitlichen und zentralen Luftaustritten 80, 84 der Instrumententafel 26 (1) leiten. 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 Substrat 120 gekoppelt ist.
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Erneut Bezug nehmend auf 2, wird das Instrumententafelsubstrat 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, in dem sich zerkleinerte Glasfasern befinden. Im Allgemeinen können Regionen im Substrat 120 mit höheren Anteilen zerkleinerter Kohlenstofffasern verbesserte mechanische Eigenschaften (beispielsweise Härte, Zugfestigkeit, Ermüdungswiderstand) aufweisen. Der Kohlenstofffaservolumenanteil und der Glasfaservolumenanteil 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 der Faservolumenanteil im fahrerseitigen Teil 184 vom Faservolumenanteil im beifahrerseitigen Teil 188 des Substrats 120 unterscheiden. In zusätzlichen Ausführungsformen sind Bereiche des Substrats 120, die erwartungsgemäß hohen Belastungen ausgesetzt sind, dazu ausgelegt, größere Faservolumenanteile von zerkleinerten 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 Substrats 120 einen größeren Faservolumenanteil besonders von zerkleinerten Kohlenstofffasern beinhalten, um das Abstützen der Lenksäule 68 zu unterstützen. In einem anderen Beispiel können die Oberflächen des Instrumententafelsubstrats 120 und der Verstärkung 150, die beim Entfalten des Airbags hohen Belastungen ausgesetzt sind, größere Faservolumenanteile beinhalten. In weiteren Ausführungsformen können der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil 184, 188 des Substrats 120 mehr als zwei Verbundmaterialien beinhalten.
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In einigen Ausführungsformen können die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Instrumententafelsubstrats 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 Substrats 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 Substrats 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 Substrat 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. Ferner kann der Volumenanteil der Fasern in den Harzen, vorzugsweise die zerkleinerten Kohlenstofffasern, in Bereichen, die höheren Belastungen ausgesetzt sind, größer als in anderen Bereichen oder im Rest der Verstärkung 150 sein.
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Noch immer Bezug nehmend auf 2, werden die zerkleinerten Kohlenstoff- und Glasfasern so im Substrat 120 der Instrumententafel 26 segregiert, dass die Kohlenstofffasern im Wesentlichen im fahrerseitigen Teil 184 des Substrats 120 konzentriert sind und die Glasfasern im Wesentlichen im beifahrerseitigen Teil 188 des Substrats 120 konzentriert sind. Der Mittelteil 180 des Substrats 120 besteht im Allgemeinen sowohl aus zerkleinerten Kohlenstofffasern als auch aus zerkleinerten Glasfasern. In einigen Ausführungsformen kann der Mittelteil 180 primär Kohlenstofffasern oder primär Glasfasern beinhalten. In anderen Ausführungsformen können die primär im fahrerseitigen Teil 184 enthaltenen Kohlenstofffasern teilweise auch den beifahrerseitigen Teil 188 des Substrats 120 belegen. In weiteren Ausführungsformen können die primär im fahrerseitigen Teil 184 enthaltenen Kohlenstofffasern auch Teile des Substrats 120 belegen, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, ungeachtet der beifahrerseitigen oder fahrerseitigen Ausrichtung. Beispielsweise können die im oder am Substrat 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 Substrat 120 gestattet es den Fasern mit einer höheren Festigkeit, beispielsweise den Kohlenstofffasern, gezielt dort eingesetzt zu werden, wo für das Substrat 120 ein besonders hoher Festigkeitsbedarf besteht, beispielsweise zum Stützen der Lenksäule 68. Die gezielte Verwendung hoher Anteile an Kohlenstofffasern basierend auf der fahrer-/beifahrerseitigen Ausrichtung relativ zum Fahrzeug 14 gestattet Kosteneinsparungen dadurch, dass teurere Kohlenstofffasern nur bei Notwendigkeit effektiv eingesetzt werden.
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In einigen Ausführungsformen kann an der Schnittstelle zwischen dem fahrerseitigen und dem beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Instrumententafelsubstrats 120 eine Grenzregion 240 existieren. Die Grenzregion 240 umfasst eine Mischung beider Typen von Fasern und Harz(en), die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Substrats 120 eingesetzt werden. Die Mischung von Fasern innerhalb der Grenzregion 240 gewährleistet, dass zwischen den aus unterschiedlichen Verbundmaterialien bestehenden Teilen des Substrats 120 eine integrale Verbindung besteht. In einer Ausführungsform kann sich die Grenzregion 240 über den gesamten Mittelteil 180 des Substrats 120 erstrecken oder diesen Teil anderweitig umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann die Grenzregion 240 nur zwischen dem Mittelteil 180 und dem beifahrerseitigen Teil 188 oder zwischen dem fahrerseitigen Teil 184 und dem Mittelteil 180 des Substrats 120 präsent sein. Die Grenzregion 240 kann sich auch an einer beliebigen Stelle im Substrat 120 befinden, wo sich eine Schnittstelle zwischen Teilen des Substrats 120 befindet, die unterschiedliche Faseranteile, Fasertypen und/oder Harze enthält. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der fahrerseitige Teil 184 einen Volumenanteil von etwa 30 % bis 40 % zerkleinerter Kohlenstofffasern in einem Harz enthalten, der beifahrerseitige Teil 188 kann einen Volumenanteil von etwa 30 % bis 40 % zerkleinerter Glasfasern im Harz enthalten, und der Mittelteil 180 oder die Grenzregion 240 können einen Volumenanteil von etwa 15 % bis 20 % zerkleinerter Kohlenstofffasern und einen Volumenanteil von etwa 15 % bis 20 % zerkleinerter Glasfasern im Harz enthalten. In dieser Auslegung ist der fahrerseitige Teil 184 mit höheren Anteilen an zerkleinerten Kohlenstofffasern im Vergleich zu anderen Teilen des Substrats 120 besonders verstärkt.
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Nunmehr Bezug nehmend auf die in den 2A–E dargestellten Ausführungsformen, weist der fahrerseitige Teil des Substrats 120 in der Darstellung eine erste Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern 186 auf, die in einem ersten Nylonharz 185 angeordnet sind. Der beifahrerseitige Teil 188 des Substrats 120 weist in der Darstellung eine erste Gruppe von mehreren Glasfasern 190 auf, die in einem zweiten Nylonharz 189 angeordnet sind. Wie oben erläutert, umfasst die Grenzregion 240 innerhalb des Substrats 120 eine Mischung aus der ersten Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern 186, der ersten Gruppe von mehreren zerkleinerten Glasfasern 190, dem ersten Nylonharz 185 und dem zweiten Nylonharz 189. Die Verstärkung 150 umfasst eine zweite Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern 193, die in einem dritten Nylonharz 194 angeordnet sind. Der Kanal 212 enthält eine zweite Gruppe von mehreren zerkleinerten Glasfasern 195, die in einem vierten Nylonharz 197 angeordnet sind.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann das Instrumententafelsubstrat 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 Fasermatten 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 Substrats 120 eingesetzt wurden. Die Matten können auch Fasern enthalten, die andere Abmessungen als die Fasern aufweisen, die im fahrerseitigen und im beifahrerseitigen Teil 184, 188 des Substrats 120 eingesetzt wurden. In ähnlicher Weise können die Fasern der Matten entweder in einer kontinuierlichen oder zerkleinerten Auslegung vorliegen. 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 Substrats 120 eingesetzt werden, aufweist. Die Matten können in Bereichen des Substrats 120 und/oder der Verstärkung 150 integriert werden, die hohe oder niedrige Faservolumenanteile enthalten. Mehrere Matten können genutzt und in wechselnden Ausrichtungen geschichtet werden, um die mechanischen Eigenschaften des Substrats 120 und/oder der Verstärkung 150 an bestimmten Stellen weiter zu verbessern. Beispielhafte Stellen im Substrat 120 zur Platzierung der Matte umfassen die Lenksäulenmontagefläche 196, die Airbaganordnungsöffnung 208, die Handschuhfachöffnung 204, Verbindungsstellen zwischen der Verstärkung 150 und dem Substrat 120 sowie andere Stellen, die erwartungsgemäß höheren Belastungen als in anderen Bereichen des Substrats 120 ausgesetzt sind, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Die Nutzung eines kohlenstofffaserhaltigen Hybridverbundwerkstoffs im Substrat 120 und in der Verstärkung 150 erlaubt, dass das Fahrzeug 14 ohne Fahrzeugquerträger konzeptioniert und hergestellt 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 114 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 ihrer Unteranordnungen erreichen.
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Nun Bezug nehmend auf die in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform, definiert das Substrat 120 integral die Substratrippen 250, und die Verstärkung 150 definiert integral die Verstärkungsrippen 254. Die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 können von jedem Teil des Substrats 120 oder der Verstärkung 150 definiert werden, der anfällig für hohe Belastungen ist (z. B. in der Nähe der Lenksäulenmontagefläche 196, der Handschuhfachöffnung 204, der Beifahrerairbagöffnung 208, der Verbindungspunkte zwischen den Komponenten und/oder der Grenzregion 240). Obwohl das Substrat 120 und die Verstärkung 150 jeweils so dargestellt sind, dass sie zwei Rippen 250, 254 definieren, versteht es sich, dass eine oder mehr Rippen 250, 254 in Erwägung gezogen werden. Die Substratrippen 250 sind über der Lenksäulenöffnung 192 des Substrats 120 und an die Montagefläche 196 angrenzend positioniert. Die Verstärkungsrippen 254 sind über der Lenksäulenaussparung 166 der Verstärkung 150 positioniert. Zusätzlich oder alternativ dazu können sich die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 in dem/der gesamten Substrat 120 bzw. Verstärkung 150 befinden. Die Substrat- und Verstärkungsrippen 250, 254 sind durchgehende Strukturen, die sich entlang den fahrerseitigen Teilen 184, 154 von Substrat und Verstärkung 120, 150 erstrecken, die aber auch diskontinuierliche oder unterbrochene Strukturen sein können. Die Substratrippen 250 erstrecken sich nur über die Lenksäulenöffnung 192, können sich aber auch über die gesamte Länge des fahrerseitigen Teils 184 oder eine beliebige Länge dazwischen erstrecken. In ähnlicher Weise wie die Substratrippen 250 können sich die Verstärkungsrippen 254 ebenfalls über eine beliebige Länge des fahrerseitigen Teils 154 der Verstärkung 150 erstrecken. In Ausführungsformen, bei denen das Substrat 120 und/oder die Verstärkung 150 mehr als eine Rippe 250, 254 definieren, können die Rippen eigenständige Strukturen darstellen oder in einer verzweigten Struktur verbunden und beabstandet sein. In der dargestellten Ausführungsform verlaufen die Substratrippen 250 parallel zueinander, es ist aber auch denkbar, dass ihre Ausrichtung zwischen parallel und senkrecht schwanken kann. Ähnlich der in Verbindung mit den Substratrippen 250 beschriebenen Ausführungsform können die Verstärkungsrippen 254 ebenfalls verschiedene Ausrichtungen zueinander haben.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 3 sind die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 entlang der Länge der Rippen 250, 254 im Wesentlichen hohl. Für die Zwecke dieser Offenbarung bezieht sich „im Wesentlichen hohl“ auf die Rippen 250, 254, die weitgehend frei von Blockierungen sind; es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass Gratbildung sowie Verstärkungsgeometrien in den Rippen 250, 254 angewendet werden können, die die Rippen 250, 254 teilweise blockieren können, ohne vom Geist dieser Offenbarung abzuweichen. Die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 werden während der Formung des Substrats 120 bzw. der Verstärkung 150 gebildet. Obwohl sie als im Wesentlichen trapezförmig dargestellt sind, können die Substrat- und Verstärkungsrippen 250, 254 rechtwinklig, abgerundet oder gewölbt sein. In einigen Ausführungsformen können die Rippen 250, 254 durch das Verbinden von Unteranordnungen des Substrats 120 und der Verstärkung 150 gebildet werden.
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In der Anordnung sind die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 dazu ausgelegt, miteinander verbunden zu werden, um das Substrat 120 und die Verstärkung 150 aneinander zu sichern. In der dargestellten trapezförmigen Auslegung ist eine Oberfläche der Substratrippen 250 mit einer Oberfläche der Verstärkungsrippen 254 verbunden. In einigen Ausführungsformen können die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 so ausgelegt sein, dass sie mehr als eine Oberfläche aufweisen, die miteinander verbunden werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 so ausgelegt sein, dass sie ineinander greifen oder zusammenpassen. Beispielsweise können die Substratrippen 250 und die Verstärkungsrippen 254 gemeinsam eine Druckbefestigung, eine Klickbefestigung oder andere mechanische Befestigungsvorsprünge und -aussparungen definieren. In nicht mechanischen Verbindungstechniken werden die Rippen 250, 254 durch eine Klebeverbindung, Vibrationsschweißen, Warmblechschweißen oder andere chemische und thermische Verbindungsformen miteinander verbunden. In einer speziellen Ausführungsform werden die Rippen 250, 254 durch Verwendung eines Klebemittels auf Urethanbasis verbunden. Obwohl sie nur als in der Nähe der Lenksäulenöffnung 192 verbunden dargestellt sind, versteht es sich, dass die Substratrippen 250 und Verstärkungsrippen 254 an jedem Punkt entlang des Substrats 120 und der Verstärkung 150 verbunden werden können, an dem beide vorhanden sind. Wenn die Substrat- und Verstärkungsrippen 250, 254 miteinander verbunden sind, wirken sie mit dem Kanal 212 und der Verstärkung 150 zusammen, um ein hohles Rohr 256 zu definieren, das als Pseudo-Fahrzeugquerträger fungieren kann, während es außerdem der Luftförderung durch die Instrumententafel 26 dient.
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Durch integrales Definieren der Rippen 250, 254 in das Substrat 120 und die Verstärkung 150 ist eine Erhöhung der Steifigkeit des Substrats 120 und der Verstärkung 150 ohne eine proportionale Erhöhung der verwendeten Materialmenge möglich. Der verringerte Gebrauch von Material führt direkt zu Gewichts- und Kosteneinsparungen, insbesondere in Ausführungsformen, bei denen Kohlenstofffasern verwendet werden. Die dreidimensionale Struktur der Rippen 250, 254 widersteht einem Biegen durch das Substrat 120 und die Verstärkung 150 und erhöht dadurch die Festigkeit der Instrumententafel 26. Außerdem können durch Positionieren der Rippen 250, 254 in Bereichen, die für hohe Belastungen anfällig sind (z. B. in der Nähe der Lenksäulenmontagefläche 196, der Handschuhfachöffnung 204, der Beifahrerairbagöffnung 208 und/oder der Grenzregion 240), Gewichts- und Kosteneinsparungen aufgrund einer Verringerung der zu verwendenden notwendigen Materialmenge erzielt werden. Beispielsweise wird in der dargestellten Ausführungsform durch Platzierung der Verstärkungsrippen 254 und der Substratrippen 250 in der Nähe der Verbindungsstelle der Lenksäule 68 mit der Instrumententafel 26 eine steifere Verbindung erzeugt, was dazu führt, dass ein Fahrer des Fahrzeugs weniger Geräusche, Vibrationen und Rauigkeit wahrnimmt. Darüber hinaus wird durch gegenseitiges Verbinden der Substratrippen 250 und der Verstärkungsrippen 254 eine disproportionale Erhöhung der Steifigkeit der Instrumententafel 26 erzeugt, die es gestattet, dass das Substrat 120 und die Verstärkung 150 die Lenksäule 68 synergistisch stützen, um die von den Komponenten herrührenden Geräusche, Vibrationen und Rauigkeit zu verringern.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 4, wird ein zur Formung der Instrumententafel 26 verwendetes Spritzgießsystem 300 dargestellt, das entsprechend einer Ausführungsform einen Heizer 302, eine Pumpe 304, eine Steuerung 308, eine Form 312, ein Paar Einspritzleitungen 316 und ein Gassystem 390 umfasst. Der Heizer 302 schmilzt 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 Auslegungen 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. Das Gassystem 390 ist dazu ausgelegt, unter Druck stehendes Gas durch eine Gasleitung 394 und durch eine Gasdüse 398 in die Form 312 zu injizieren.
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Im verfestigten Zustand sind das erste und das zweite Verbundmaterial 230, 234 aus 4 zum Formen einer finalen Komponente geeignet, beispielsweise des Instrumententafelsubstrats 120 und der Verstärkung 150. Der erste Verbundwerkstoff 230 umfasst das erste Fasermaterial im ersten Harz. Auf ähnliche Weise umfasst der zweite Verbundwerkstoff 234 das zweite Fasermaterial im zweiten Harz. Dementsprechend können das erste und das zweite Fasermaterial sowie das erste und das zweite Harz aus irgendeine(r/m) der jeweiligen Fasern und Harze bestehen, die in Verbindung mit dem Instrumententafelsubstrat 120 oder der Verstärkung 150 offenbart wurden.
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Erneut Bezug nehmend auf 4, weist die Form 312 eine A-Platte 324 und eine B-Platte 328 auf, 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 des Substrats 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 Unteranordnungen 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, ein Substrat 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 Substrats 120 formen(2). Während des Einspritzens des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 wird ein Klemmdruck auf die Form 312 ausgeübt, sodass die A-Platte 324 und die B-Platte 328 zusammengedrückt werden. Die auf die Form 312 wirkende Kraft verhindert das Auftreten von Formtrennung und Gratbildung am Substrat 120. Während die Form 312 in 5A in einem geschlossenen Zustand dargestellt ist, kann sie durch Trennen der A-Platte 324 und der B-Platte 328 geöffnet werden. Während die Form 312 sich in einem geöffneten Zustand befindet, kann das Substrat 120 ausgeworfen werden, und die Form 312 und der Hohlraum 332 können dann gereinigt werden. Das Spritzgießsystem 300, das die Form 312 anwendet, kann ähnlich wie vorstehend beschrieben auch zum Formen der Verstärkung 150, der Sammelschelle 220, oder von 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 bereitgestellt, das Gasinjektionsspritzgießen verwendet, das dazu ausgelegt ist, eine finale Komponente, beispielsweise des Substrats 120 der Instrumententafel 26, zu bilden. Das Verfahren 360 umfasst sechs primäre Schritte, und zwar die bezeichneten 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. Schritt 374, das Injizieren von Gas in die Form 312 bei noch geschmolzenem ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234, wird ausgeführt. Dann wird der Schritt 376, das Abkühlen des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234, ausgeführt, um die finale Komponente, beispielsweise das Substrat 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, beinhaltet 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 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 andere Bedingungen können andere Einspritztemperaturen und Überhitzungsbedingungen angemessen sein.
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Schritt 368, das Vorbereiten des Spritzgießsystems 300, kann solche Aufgaben wie das Vorheizen der Form 312, das Vorfüllen der Einspritzleitungen 316, das Vorfüllen des Gassystems 390 und/oder das Platzieren einer vorgefertigten Fasermatte oder mehrerer Matten in den 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 anderen 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 Substrat 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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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, das Substrat 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. Eine oder mehrere Lüftungsöffnungen können in die Form 312 nahe dem Mittelteil 340 oder anderen Bereichen, in denen der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 aufeinander treffen, integriert werden, sodass Luft aus der Form ausgetrieben werden kann.
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Nunmehr Bezug nehmend auf die 5B, strömen der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 an einer vorbestimmten Stelle in den Hohlraum 332 weiter aufeinander zu, um gemeinsam die Grenzregion 240 zu bilden. Die Grenzregion 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 der Grenzregion 240 wird durch die Gestalt 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 Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in den Hohlraum 332 eingespritzt werden. In dieser Auslegung kann eine Grenzregion 240 zwischen jedem der Verbundmaterialien existieren, sodass sich die Zusammensetzung jeder Grenzregion 240 von anderen Grenzregionen unterscheidet. Beim Abkühlen und Verfestigen des ersten und des zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 schafft die Mischung der Harze und Fasern in der Grenzregion 240 zwischen dem ersten und dem zweiten Verbundmaterial 230, 234 eine integrale Verbindung, wodurch das Substrat 120 oder andere finale Komponenten zusammengehalten werden.
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Konkret Bezug nehmend auf 5C, kann der Schritt 374, das Injizieren des unter Druck stehendes Gases, ausgeführt werden, während des Füllens der Form 312 mit dem ersten und dem zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 oder nachdem es abgeschlossen worden ist. In einer Ausführungsform, wenn der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 in die Form 312 gelangen, verfestigen sich Teile des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs ganz oder teilweise, um eine Haut um einen noch geschmolzenen Kern des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 zu bilden. Die Injektion von Gas in den ersten oder zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 erfolgt durch den Gebrauch einer Injektionsdüse 410. Das Gassystem 390 setzt das Gas, das zur Injektionsdüse 410 und in den Hohlraum 332 strömt, unter Druck. Die Injektion des unter Druck stehenden Gases in den Kern der geschmolzenen Verbundwerkstoffe 230, 234 bewirkt die Bildung einer Luftpore 414, während der geschmolzene Teil des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 durch das unter Druck stehende Gas verdrängt wird. Gleichzeitig zwingt das unter Druck stehende Gas die ganz oder teilweise verfestigte Haut des ersten und/oder zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234, die Gestalt der Form 312 anzunehmen. Während mehr Gas durch die Injektionsdüse 410 injiziert wird, dehnt sich die Luftpore 414 aus. In Ausführungsformen, bei denen die Injektionsdüse 410 in der Nähe der Substrat- oder Verstärkungsrippen 250, 254 positioniert ist, wird die Luftpore 414 länger und bildet den im Wesentlichen hohlen Teil der Rippen 250, 254. Das Gassystem 390 kann eine Vielzahl von Gasen, einschließlich Inertgasen (z. B. zweiatomigen Stickstoff, Kohlendioxid und Edelgase), unter Druck stehende Luft oder Kombinationen hiervon unter Druck setzen und injizieren. Das Gas kann mit einem Druck von zwischen etwa 500 psi bis etwa 8000 psi, stärker bevorzugt zwischen etwa 1000 psi und etwa 4000 psi, injiziert werden. Die Temperatur des injizierten Gases kann zwischen 100 °C und 400 °C, stärker bevorzugt zwischen 210 °C und 275 °C liegen. Die Gasinjektion kann für die Dauer von etwa 0,1 Sekunde bis etwa 20 Sekunden durchgeführt werden. Außerdem kann das Gas an mehreren Stellen in der ganzen Form 312 injiziert werden, um komplexe Geometrien zu bilden.
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Erneut Bezug nehmend auf die 4–6, findet Schritt 376, das Abkühlen des geschmolzenen ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 zum Formen der finalen Komponente, beispielsweise des Substrats 120, statt, 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 Substrats 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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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, und Luftporen könnten Montageöffnungen bereitstellen. Darüber hinaus versteht es sich, dass solche Konzepte von den folgenden Ansprüchen abgedeckt sein sollen, solange diese Ansprüche nicht ausdrücklich etwas anderes aussagen.
