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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, jetzt anhängigen 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 Komponentenentwürfe aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere jedoch Fahrzeuginstrumententafelentwürfe sowie Verfahren für ihre Herstellung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Fahrzeugen werden immer häufiger leicht gewichtige Komponenten und Designs oder Entwürfe 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 Bereiche tatsächlich eine höhere mechanische Leistung erfordert.
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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 Bereichen 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 Offenbarung umfasst eine Fahrzeuginstrumententafel ein Substrat, das eine erste Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern innerhalb eines ersten Nylonharzes umfasst, und eine mit dem Substrat gekoppelte expandierte Verstärkung, die eine zweite Gruppe von mehreren zerkleinerten Kohlenstofffasern innerhalb eines zweiten 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. Ein expandierter struktureller Kanal weist eine zweite Gruppe von mehreren zerkleinerten Glasfasern innerhalb eines dritten Nylonharzes auf. Der Kanal, die Verstärkung und das Substrat sind gekoppelt, um ein hohles Rohr zu formen.
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Gemäß einem anderen Aspekt dieser Offenbarung umfasst eine ein erstes expandiertes Element aufweisende Fahrzeuginstrumententafel ein erstes Faserverbundmaterial. Ein zweites expandiertes Element umfasst ein zweites Faserverbundmaterial. Ein mit den expandierten Elementen gekoppeltes Substrat umfasst ein erstes Fasermaterial und ein zweites Fasermaterial innerhalb eines Harzes. Das erste und das zweite Fasermaterial werden in den fahrerseitigen bzw. beifahrerseitigen Teil des Substrats segregiert. Das erste und zweite expandierte Element sind gekoppelt, um das Substrat zu stützen.
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Gemäß einem anderen Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Formen einer Fahrzeugkomponente Schritte zum Schmelzen eines ersten Verbundwerkstoffs mit einem ersten Fasermaterial, einem ersten Harz und einem ersten Expansionsmittel sowie zum Schmelzen eines zweiten Verbundwerkstoffs mit einem zweiten Fasermaterial, einem zweiten Harz und einem zweiten Expansionsmittel. Der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff werden dann in eine Form eingespritzt, sodass der erste und der zweite Verbundwerkstoff jeweils im Wesentlichen innerhalb des ersten bzw. zweiten Teils der Form konzentriert sind. Die Form wird dann geöffnet, wodurch den geschmolzenen Verbundwerkstoffen gestattet wird, zu expandieren. Die gekühlten und expandierten Verbundwerkstoffe formen eine Instrumententafelkomponente.
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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 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 gezeigte Instrumententafel;
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2A eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIA-IIA;
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2B eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIB-IIB;
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2C eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIC-IIC;
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2D eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IID-IID;
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2E eine erweiterte Querschnittsansicht der Instrumententafel aus 2 entlang einer Linie IIE-IIE;
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3 eine perspektivische Draufsicht auf ein Spritzgießsystem entsprechend einer weiteren Ausführungsform;
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4A eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 3 während eines Schrittes des Einspritzens geschmolzener Verbundwerkstoffe in eine Form entlang einer Linie X-X;
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4B eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 3 während eines Schrittes des Mischens der geschmolzenen Verbundwerkstoffe entlang einer Linie X-X;
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5A eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 3 während eines Schrittes des Öffnens der Form entlang einer Linie X-X;
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5B eine Querschnittsansicht des Spritzgießsystems aus 3 während eines Schrittes des Expandierens der geschmolzenen Verbundwerkstoffe entlang einer Linie X-X; und
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6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Formen einer Fahrzeugkomponente unter Verwendung des Spritzgießsystems aus 4 entsprechend einer weiteren 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 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 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 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 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 dem fahrerseitigen Bereich 18 als auch 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 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 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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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 des fahrerseitigen Bereichs 18 als auch des beifahrerseitigen Bereichs 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. Die 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 weiteren 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 Bereiche 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 weiterer 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 Bereichen 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 er ferner einen Handschuhfachraum und/oder ein Airbaggehäuse als integrale/n Körper definiert, die/der sich von der Handschuhfachöffnung 204 bzw. der Beifahrerairbaganordnungsöffnung 208 erstrecken. In weiteren 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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Zwischen dem Instrumententafelsubstrat 120 und der Verstärkung 150 befindet sich ein struktureller Kanal 212. Wenn der strukturelle Kanal 212 mit der Verstärkung 150 und dem Substrat 120 verbunden ist, formt er ein hohles Rohr, das sowohl Luft durch die Instrumententafel 26 fördert, als auch der Instrumententafel strukturelle Steifigkeit verleiht. Die Luft strömt durch den strukturellen Kanal 212 zu einer Gruppe von Substratlüftungsöffnungen 216, die die Luft zur Seite leiten, und zu 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 Substrat 120 gekoppelt ist.
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Jetzt 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, wobei sich in dem Harz zerkleinerte Glasfasern befinden. Im Allgemeinen können Bereiche 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 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 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 die Fasern 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, oder durchgehend ein einzelner Verbundwerkstoff sein können. In einem weiteren Beispiel 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 der Volumenanteil 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 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. 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 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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Jetzt Bezug nehmend auf die in 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 umfasst 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 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 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 kontinuierlich oder zerkleinert ausgelegt 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 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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In einigen Ausführungsformen können die Komponenten der Instrumententafel 26 (z. B. das Substrat 120, die Verstärkung 150, der strukturelle Kanal 212) durch ein Einspritzexpansionsformverfahren, das nachfolgend ausführlich beschrieben wird, expandiert, geschäumt oder porös gemacht werden. In einer solchen Ausführungsform können die in den Komponenten verwendeten Harze eines oder mehrere Expansionsmittel umfassen, die die Nukleation und Ausbildung einer Vielzahl von Gasblasen nach Einspritzen der Harze in eine Form verursachen. In anderen Ausführungsformen wird eine Form, in die die Harze und Fasern eingespritzt werden, mit einem gasförmigen Expansionsmittel gefüllt, das sich mit den Harzen vermischt. Die Expansionsmittel werden verwendet, um mehrere Blasen innerhalb jeder der Komponenten der Instrumententafel 26 zu formen. Die von dem einen oder den mehreren Expansionsmitteln geformten Blasen können eine durchschnittliche Größenverteilung haben, oder sie können im Wesentlichen gleichförmig sein. Die Blasen können eine geschlossene Zellstruktur, eine offene Zellstruktur oder einen Hybrid aus geschlossen und offen, der durch die Komponente variiert, bilden. Darüber hinaus kann eine Expansion durch die Bildung von Luftblasen an der gesamten Komponente oder nur an ausgewählten Teilen (z. B. fahrerseitiger Teil, beifahrerseitiger Teil oder Mittelkonsolenteil) der Komponenten der Instrumententafel 26 durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Anstieg in der prozentualen Expansion oder Porosität des Substrats 120 oder der Verstärkung 150 gesteuert werden.
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Die Expansion der Komponenten der Instrumententafel 26 (z. B. des Substrats 120, der Verstärkung 150, des Kanals 212) kann die Abmessungen des Teils zwischen etwa 10 % und etwa 300 % und noch spezieller von etwa 50 % bis etwa 100 % vergrößern. Expansion in der Größe der Komponenten erhöht die strukturelle Steifigkeit der Komponenten durch Erzeugung einer größeren und/oder dickeren Komponente. Durch ein Vergrößern der Komponente, die biegebeansprucht ist, wird eine entsprechende Zunahme in der Steifigkeit erzielt. Die Verwendung von expandierten Komponenten ermöglicht Einsparungen von Kosten und Gewicht durch eine Verringerung in der Menge des verwendeten Materials bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Niveaus an struktureller Steifigkeit. Darüber hinaus kann die erhöhte Steifigkeit, die durch die infolge der Expansion dickeren Komponenten erzeugt wird, ermöglichen, weniger Fasern zu verwenden, und Kosteneinsparungen können erreicht werden.
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Die Nutzung eines kohlenstofffaserhaltigen Hybridverbundwerkstoffs im Substrat 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 Unteranordnungen erreichen.
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Darüber hinaus erlaubt das Verwenden von Einspritzexpansionsformen zum Formen von expandierten Strukturkomponenten (z. B. Substrat 120, Verstärkung 150 und struktureller Kanal 212) Einsparungen bei Kosten und Gewicht bei Teilen des Fahrzeugs, in denen noch kein Einspritzexpansionsformen verwendet wird. Einspritzexpansionsformen wird typischerweise verwendet, um Verkleidungskomponenten und Verkleidungen für interne Teile von Fahrzeugen zu formen, die keiner strukturellen Belastung ausgesetzt sind. Die Gasblasen, oder Porosität, in einem durch Einspritzexpansionsformen geformten Teil verhindern aufgrund einer durch die Gasblasen verursachten Verringerung der Festigkeit ein Verwenden des Teils in jeglicher strukturellen Weise. Allerdings kann durch Nutzen von Einspritzexpansionsformen beim Formen einer Hybridverbundwerkstoffkomponente diese Komponente als Strukturbauteil des Fahrzeugs verwendet werden, wobei weiterhin der Vorteil einer Verringerung von Kosten und Gewicht besteht, wie er durch Einspritzexpansionsformen erzielt werden kann.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 3, wird eine schematische Darstellung eines Spritzgießsystems 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 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. In Ausführungsformen, die Einspritzexpansionsformen nutzen, kann das System 300 ein Gassystem (nicht gezeigt) zum Mischen und Auflösen eines gasförmigen Expansionsmittels in dem ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 umfassen.
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Während des Verfestigens sind das erste und das zweite Verbundmaterial 230, 234 aus 3 zum Formen einer finalen Komponente geeignet, beispielsweise des Instrumententafelsubstrats 120, der Verstärkung 150, des strukturellen Kanals 212. 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 irgendeiner/m der jeweiligen Fasern und Harze bestehen, die in Verbindung mit dem Instrumententafelsubstrat 120, der Verstärkung 150 oder dem strukturellen Kanal 212 offenbart wurden.
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Erneut Bezug nehmend auf 3, 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 etwa einer Hälfte der finalen Fahrzeugkomponente (beispielsweise des strukturellen Kanals 212, 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. In Ausführungsformen, die Einspritzexpansionsformen nutzen, ist die Form 312 so konzipiert, dass die A-Platte 324 und die B-Platte 328 getrennt werden können, während der Hohlraum 332 druckbeaufschlagt bleibt.
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Wie in 4A gezeigt, hat die Form 312, wenn sie dazu ausgelegt ist, ein Substrat 120 zu formen, 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 auf die Form 312 ein Klemmdruck 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 Substrat 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 das Substrat 120 ausgeworfen 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, des Kanals 212 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 zur Verfügung gestellt, das zur Formung einer finalen Komponente, beispielsweise des Substrats 120 der Instrumententafel 26, ausgelegt ist. Das Verfahren 360 umfasst sechs primäre Schritte, und zwar die bezeichneten Schritte 364, 368, 372, 374, 376 und 380. Das Verfahren 360 beginnt mit dem Schritt 364, dem Vorbereiten 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. Bei Schritt 374 wird das Öffnen der Form und Expandieren der Verbundwerkstoffe 230, 234 durchgeführt. 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 4A–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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In Ausführungsformen des Verfahrens 360, die Einspritzexpansionsformen nutzen, kann Schritt 364 eine Vorbereitung des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 durch Einführung der Expansionsmittel beinhalten. Expansionsmittel können auf unterschiedlichste Weisen in den ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 eingeführt werden. In einer Ausführungsform können der feste erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 mit bereits darin gemischten chemikalienbasierten Expansionsmitteln bereitgestellt werden. Beispielhafte chemische Mittel, die verwendet werden können, umfassen Hydrazin, Natriumbicarbonat und stickstoffbasierte Materialien. In anderen Ausführungsformen kann das System 300 ein Gassystem umfassen, das dazu ausgelegt ist, ein verflüssigtes Gas unter Druck in den ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 zu mischen, um als Expansionsmittel zu wirken. Das Gas kann hinter dem Heizer 302 in den ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 gemischt werden, sodass das Gas in den geschmolzenen Verbundwerkstoffen 230, 234 gelöst werden kann. Beispielhafte Gase für das Expansionsmittel können Stickstoff, Kohlendioxid und andere Gase, die nicht mit dem ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 reagieren, umfassen.
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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 der Gassysteme 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 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. In einigen Ausführungsformen kann vor dem ersten und zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 ein Gas zur Verwendung als Expansionsmittel in die Form 312 eingespritzt werden.
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Nunmehr besonders Bezug nehmend auf 4A, 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 Mittelkonsolenteil 340 oder anderen Bereichen, in denen der erste und der zweite Verbundwerkstoff 230, 234 aufeinandertreffen, integriert werden, sodass Luft aus der Form 312 ausgetrieben werden kann.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 4B, strömen der geschmolzene erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 an einer vorbestimmten Stelle im Hohlraum 332 weiter aufeinander zu, um gemeinsam die Grenzregion 240 zu formen. 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 es eine Grenzregion 240 zwischen jedem der Verbundmaterialien geben, 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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Insbesondere Bezug nehmend auf 5A und 5B, erfolgt Schritt 374, das Öffnen der Form 312, durch Trennen der A-Platte 324 von der B-Platte 328 um einen vorbestimmten Abstand, um den Hohlraum 332 auf die abschließend gewünschten Abmessungen der Komponenten der Instrumententafel 26 zu expandieren. Typische Öffnungsabstände reichen von etwa 0,1 mm bis etwa 10,0 mm, und spezifischer zwischen etwa 1,0 mm und etwa 4,0 mm. Wenn die Form 312 geöffnet wird, erzeugen die im ersten und im zweiten Verbundwerkstoff 230, 234 vorhandenen Expansionsmittel aufgrund der Änderung des auf die Form 312 ausgeübten Drucks und die Änderung des Volumens des Hohlraums 332 schnell Luftblasen. Wenn die Gasblasen in den Harzen des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 erzeugt werden, vergrößert sich das Volumen der Komponente der zu formenden Instrumententafel 26 (z. B. Substrat 120, Verstärkung 150, struktureller Kanal 212), was zu einer entsprechenden Vergrößerung der Abmessungen der Komponente führt. Die Expansionsmittel liegen in ausreichenden Mengen vor, um zu bewirken, dass der erste und zweite Verbundwerkstoff 230, 234 expandieren und den vergrößerten Hohlraum 332 ausfüllen. Es sei angemerkt, dass in anderen Ausführungsformen der Klemmdruck von der Form 312 gelöst werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass die A-Platte 324 und die B-Platte 328 durch die Expansion des ersten und zweiten Verbundwerkstoffs 230, 234 getrennt werden.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 4–6, findet in 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 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. Darüber hinaus versteht es sich, dass solche Konzepte von den folgenden Ansprüchen abgedeckt sein sollen, solange diese Ansprüche nicht ausdrücklich etwas anderes aussagen.
