DE102019007022A1

DE102019007022A1 - Strukturbauteil

Info

Publication number: DE102019007022A1
Application number: DE102019007022.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Doll; Jürgen Schmidt; Benjamin Dalinger; Kurt Nöcker
Original assignee: Formtec Kunststofftechnik GmbH; Ruch Novaplast GmbH
Current assignee: Formtec Kunststofftechnik De GmbH
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15

Abstract

Ein Strukturbauteil (100) umfasst einen Leichtbaukern (130) aus einem ersten Material und eine Hülle (120) aus einem zweiten Material. Das Strukturbauteil (100) umfasst weiter ein Heizelement und/oder ein Kühlelement (140).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, umfassend einen Leichtbaukern aus einem ersten Material und eine Hülle aus einem zweiten Material. Weiter betrifft die Erfindung einen Leichtbaukern für einen Strukturbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils.
Stand der Technik
Strukturbauteile mit Leichtbaukernen sind im Stand der Technik bekannt. Strukturbauteile werden beispielsweise beim Bau von Fahrzeugen eingesetzt, da diese ausgestattet mit Leichtbaukernen mit geringer Dichte und somit relativ geringem Gewicht hergestellt werden können. Weiter können die Strukturbauteile mit guten Eigenschaften hinsichtlich Schall- und Wärmedämmung hergestellt werden. Durch die Beschichtung erhalten die Leichtbaukerne eine verbesserte mechanische Stabilität, da Leichtbaukerne typischerweise eine geringe Druckfestigkeit aufweisen. Zudem sind die Verformungen bei gängigen Leichtbaukernen typischerweise nicht reversibel.
In der Herstellung der Strukturbauteile wird zum Beispiel in einem ersten Schritt ein Leichtbaukern aus einem geschäumten Polymer hergestellt, welcher anschliessend mit einer Beschichtung versehen wird. Die Beschichtung kann zum Beispiel durch Lackieren, Kaschieren oder dergleichen aufgebracht werden. In weiteren Verfahren wird eine, in einem Formwerkzeug angebrachte Beschichtung hinterschäumt.
Der Nachteil bei den bekannten Strukturbauteilen ist, dass diese trotz der thermischen Isolation durch den Leichtbaukern nur bedingt für bedingt zur Temperaturregulierung geeignet sind, insbesondere da die Strukturbauteile typischerweise den räumlichen Gegebenheiten, zum Beispiel in einem Fahrzeug, angepasst werden.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Strukturbauteil zu schaffen, welches eine verbesserte Temperaturregulierung erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst das Strukturbauteil weiter ein Heizelement und/oder ein Kühlelement, welches zwischen dem Leichtbaukern und der Hülle angeordnet ist.
Dadurch, dass im Strukturbauteil ein Heizelement und/oder ein Kühlelement vorgesehen ist, kann zum Beispiel bei einem Einsatz in einem Fahrzeug besonders optimal eine Temperatur des Innenraums reguliert werden. Insbesondere kann damit eine grosse Heizfläche respektive Kühlfläche erreicht werden, womit eine Temperierung des Innenraums besonders effizient und ökonomisch erreicht werden kann. Bei einem Einsatz als Heizelement besteht im Einsatz in einem Fahrzeug weiter der Vorteil gegenüber gängigen Lüftungsheizungen, dass eine relativ grossflächige Wärmeabstrahlung (Infrarotstrahlung) erreicht werden kann. Für den Fahrer und die Passagiere wird damit eine besonders schnelle und effiziente Beheizung erreicht. Ein Strukturbauteil kann zum Beispiel als Türverkleidung, als Armaturenbrett, Dachhimmel etc. ausgebildet sein, womit eine besonders effiziente Temperaturregulierung im Fahrzeug erreicht werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Strukturbauteil ausschliesslich ein Heizelement. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Strukturbauteil ausschliesslich ein Kühlelement. Damit kann zum Beispiel ein Handschuhfach oder dergleichen ausgestattet werden, welches somit als Kühlbox zum Kühlen von Getränken oder ähnlichem verwendet werden kann. In einer weiteren bevorzugten ausführungsform umfasst das Strukturbauteil sowohl ein Heizelement als auch ein Kühlelement. Damit können zum Beispiel Innenverkleidungen für Fahrzeuge geschaffen werden, welche sowohl im Winter beheizt als auch im Sommer gekühlt werden können. Eine Aufbewahrungsbox, wie zum Beispiel ein Handschuhfach kann damit nach Wunsch entweder beheizt oder gekühlt werden.
Ein Heizelement und/oder Kühlelement kann elektrisch oder über einen Wärmeträger wie einer Flüssigkeit oder einem Gas, insbesondere Luft, betrieben sein. Als Heiz- und Kühlelement kann zum Beispiel ein Peltier-Element vorgesehen sein. Als weiteres elektrisches Heizelement kann ein Heizdraht oder ähnliches vorgesehen sein.
Als Leichtbaukern wird in der folgenden Anmeldung ein Formteil aus einem Polymer mit einer geringen Dichte von insbesondere unter 0.5 kg/dm³ verstanden. Insbesondere bevorzugt besteht der Leichtbaukern aus einem Polymerschaum, einem Partikelschaum oder einem Verbund.
Der Leichtbaukern wird insbesondere in einem Formwerkzeug geschäumt oder mittels eines Giessverfahrens, insbesondere Spritzguss, hergestellt. Der Leichtbaukern weist eine beliebige dreidimensionale Form, das heisst der Leichtbaukern weist eine beliebige Freiform und Kontur auf.
Ein derartiger Leichtbaukern wird insbesondere zur Fertigung eines Strukturbauteils verwendet. Das Strukturbauteil umfasst einen mit einer Hülle versehenden Leichtbaukern. Die Hülle weist vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante dicke auf. Die Hülle weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich zwischen 0.5 und 10 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 und 5 mm auf.
Der Begriff „a und/oder b“ ist vorliegend dahingehend zu interpretieren, dass eines von „a“, „b“ respektive „a und b“ zutrifft.
Vorzugsweise ist das Heizelement und/oder das Kühlelement zwischen dem Leichtbaukern und der Hülle angeordnet. Damit kann die Heizleistung respektive Kühlleistung des Strukturbauteils weiter optimiert werden, da lediglich die Hülle zwischen Heizelement respektive Kühlelement den Wärmetransport behindern kann. Damit kann ein Raum besonders effizient beheizt werden. Insbesondere kann damit das Heizelement respektive das Kühlelement rückseitig durch den Leichtbaukern isoliert werden und frontseitig eine optimale Wärmeabstrahlung gewährleistet werden. Damit kann das Strukturbauteil gleichermassen als Isolationselement als auch als Heiz- respektive Kühlelement eingesetzt werden, womit Wärmeverluste an den, dem zu beheizenden Raum abgewandten Raum vermieden werden können. Dadurch, dass das Heizelement direkt unter der Hülle angeordnet ist, wird weiter ein besonders schnelles Beheizen eines Raums ermöglicht. Durch die dadurch erreichbare Heizstrahlung kann zum Beispiel einer sich im beheizten Raum befindliche Person in sehr kurzer Zeit das Gefühl eines warmen Raums vermittelt werden, auch wenn z.B. die Raumluft oder nicht beheizte Flächen noch nicht aufgewärmt sind.
Im Herstellungsverfahren kann das Heiz- respektive Kühlelement vorgängig am Leichtbaukern befestigt werden, worauf der Leichtbaukern mit dem Heiz- respektive Kühlelement mit dem zweiten Material umflutet wird. Alternativ kann mit dem zweiten Material in einem ersten Schritt eine Teilhülle gebildet werden, in welcher das Heizrespektive Kühlelement angeordnet wird, um in einem zweiten Schritt das Heiz- respektive Kühlelement zu hinterschäumen. Die Befestigung kann Kraftschlüssig oder Formschlüssig erfolgen. Insbesondere kann das Heiz- respektive Kühlelement an der Hülle respektive an dem Leichtbaukern durch Kleben befestigt werden. Weiter kann statt Kleben oder zusätzlich auch eine Befestigung über Dorne erfolgen, welche in die Hülle respektive in den Leichtbaukern eindringen. Das Heiz- respektive Kühlelement kann auch in einem ersten Schritt durch Hinterschäumen (Formschlüssig, Kraftschlüssig etc.) mit dem Leichtbaukern verbunden werden. Dem Fachmann sind beliebig weitere Varianten bekannt.
Ein Leichtbaukern zur Verwendung in einem Strukturbauteil umfasst vorzugsweise mindestens eine Ausnehmung, in welche ein Heizelement und/oder ein Kühlelement einsetzbar ist. Durch Umfluten respektive Umgiessen des Leichtbaukerns in einem Formwerkzeug kann damit ein Strukturbauteil erreicht werden, welches zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern ein Heizelement aufweist.
In Varianten kann das Heizelement und/oder das Kühlelement auch teilweise oder vollständig innerhalb des Leichtbaukerns angeordnet sein. Dazu kann das Heizelement und/oder das Kühlelement vor der Ausbildung der Hülle vollständig oder teilweise umschäumt werden.
Vorzugsweise ist das Heizelement und/oder Kühlelement flächig ausgebildet. Damit kann das Heizelement und/oder Kühlelement besonders effizient eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist das Heizelement und/oder Kühlelement als biegbares respektive flexibles Element ausgebildet, so dass sich das Heizelement und/oder Kühlelement optimal der Form des Strukturbauteils anpassen lässt.
In Varianten kann das Heizelement und/oder Kühlelement auch lediglich einen' einzigen Heizkörper respektive Kühlkörper (z.B. ein Rohr oder dergleichen) oder dergleichen umfassen, welche ein Heizmedium und/oder Kühlmedium wie zum Beispiel Wasser, Lösungen (Salzwasser etc.), Lösemittel, Luft etc. Die Wahl des Mediums hängt dabei von dem für den Strukturbauteil geforderten Temperaturbereich ab. Das Heizelement und/oder Kühlelement muss nicht zwingend flexible sein, sondern kann auch vorgängig in der dem Strukturbauteil entsprechenden Form hergestellt sein.
Bevorzugt umfasst das Heizelement eine Heizschlange. Damit kann in einfacher Weise eine ein flächiges Heizelement geschaffen werden.
In Varianten kann statt der Heizschlange auch ein einzelnes Heizelement, zum Beispiel ein flacher Hohlkörper eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist die Heizschlange mäanderförmig angeordnet. Mit der Mäanderform können in einfacher Weise variable Flächenformen mit der Heizschlange abgedeckt werden.
In Varianten kann die Heizschlage auch Spiralförmig oder anderweitig angeordnet sein.
Vorzugsweise umfasst das Heizelement eine Heizmatte in welcher mindestens eine elektrisch leitender Heizdraht eingewoben ist. Damit kann ein besonders dünnes Heizelement geschaffen werden. Weiter kann mit einer flexiblen Heizmatte, in welche die Drähte eingewoben sind
In Varianten können die Heizdrähte auch auf der Heizmatte aufgestickt und/oder aufgeklebt sein. In einer weiteren Varianten kann auf die Heizmatte auch verzichtet werden. In diesem Fall können die Heizdrähte auch direkt auf dem Leichtbaukern oder auf der Innenseite der Hülle angeordnet sein. Weiter können statt der Heizdrähte auch Leitungen zum Leiten eines Heizmediums vorgesehen sein.
Vorzugsweise umfasst das Heizelement eine Heizmatte, auf welcher elektrische Leiter aufgedruckt sind. Damit kann das Heizelement besonders kostengünstig hergestellt werden. Weiter können entsprechende Heizelemente auch eine hohe Flexibilität aufweisen, so dass das Heizelement auch bei Strukturbauteilen mit komplexeren Formen eingesetzt werden kann.
In Varianten kann das Heizelement auch Drähte umfassen (siehe oben).
Bevorzugt umfasst dass das Heizelement mindestens zwei elektrischen Leiter, welche die Hülle des Strukturbauteils nach aussen durchdringen. Damit kann das Heizelement von ausserhalb des Strukturbauteils mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Formwerkzeug kann dazu eine Aussparung umfassen, in welcher die elektrischen Leiter aufgenommen sind. Zum Beispiel kann eine Hälfte des Formwerkzeugs dazu eine Nut im Verbindungsbereich zur zweiten Hälfte des Formwerkzeugs umfassen, so dass die Leiter während des Umflutens ausgerichtet werden können.
In Varianten kann das Heizelement auch zwei oder mehr elektrische Leiter umfassen, welche in der Hülle oder in dem Leichtbaukern angeordnet sind. Die Hülle kann dazu eine Durchbrechung aufweisen, durch welche hindurch die elektrischen Leiter kontaktiert werden können. Die elektrischen Leiter können in dieser Variante als Steckbuchsen oder ähnliches ausgebildet sein. Die Steckbuchsen können für das Umfluten mit einem Abstandhalter (siehe unten) verschlossen sein, welcher zugleich die notwendige Durchbrechung in der Hülle gewährleistet. Weiter kann das Strukturbauteil auch Batteriebetrieben sein. Die Batterie kann auswechselbar sein oder kontaktlos aufladbar sein. Dem Fachmann sind weitere Varianten bekannt.
Das Heiz- respektive Kühlelement muss nicht direkt über die beiden elektrischen Leiter mit einer Energiequelle verbunden sein. Die Strukturbauteile können auch in Form einer seriellen und/oder parallelen Schaltung zusammen elektrisch verbunden sein.
Vorzugsweise ist die Hülle einstückig ausgebildet und insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt. Die einstückige Ausbildung der Hülle hat den Vorteil, dass die Hülle damit ohne respektive mit weniger herstellungsbedingten Fehlstellen, wie zum Beispiel einer Gratbildung, eines Absatzes etc. im Übergang zwischen den Hüllenteilen hergestellt werden kann. Für den Herstellungsprozess hat die einteilige Ausführungsform der Hülle den Vorteil, dass sie in einem einzigen Verfahrensschritt respektive einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann, womit eine effiziente und kostengünstige Herstellung der Strukturbauteils ermöglicht wird. Die Herstellung des Strukturbauteils kann dazu auf unterschiedliche Weisen erfolgen, insbesondere kann ein, das Heizelement und/oder Kühlelement umfassender Leichtbaukern lackiert oder kaschiert werden. Weiter kann ein Leichtbaukern mit der Hülle umgossen werden. Die Hülle kann auch vorgefertigt werden, und in einem zweiten Schritt ausgeschäumt werden. Dem Fachmann sind weitere Techniken bekannt.
In Varianten kann die Hülle auch in mehreren Teilen hergestellt sein, welche insbesondere auch in mehreren Teilschritten hergestellt werden können.
Vorzugswiese umfasst der Leichtbaukern einen Grundkörper aus einem ersten gehärteten Polymer, welcher insbesondere als Hartschaum vorliegt. Die Verwendung eines Hartschaums erlaubt eine Reduktion des Gewichts des Leichtbaukerns. Weiter weisen Hartschäume auch gute isolierende sowie schalldämpfende Eigenschaften auf.
In Varianten kann der Leichtbaukern auch aus einem anderen Material, zum Beispiel auf Cellulosebasis oder einem mehrschichtigen Verbund hergestellt sein.
Vorzugsweise umfasst das gehärtete Polymer ein Polyurethan oder ein Partikelschaum, insbesondere geschäumtes Polystyrol, geschäumtes Polyethylen oder geschäumtes Polypropylen. Besonders bevorzugt liegt das erste gehärtete Polymer in der Form eines Polyurethan-Hartschaums vor.
Partikelschäume sind einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt. Diese bestehen in der Regel zu mehr als 90% aus Luft, weisen jedoch eine gute thermische Isolierfähigkeit sowie gute spezifische mechanische Eigenschaften auf. Die Dichte des Partikelschaums liegt typischerweise in einem Bereich von 15 - 80 kg/m³. Damit können besonders leichte Strukturbauteils geschaffen werden.
In Varianten können auch andere dem Fachmann bekannte Polymere zur Herstellung des Leichtbaukerns eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist an mindestens einer vordefinierten Stelle des Leichtbaukerns ein Magnet in einer vordefinierten Ausrichtung eingebracht. Durch eine entsprechende Sensorik lässt sich anhand der Magnetfeldlinien die Position sowie die Ausrichtung des Leichtbaukerns innerhalb eines Formwerkzeugs zuverlässig bestimmen. Der Magnet kann auch im Heizelement respektive im Kühlelement angeordnet sein. Weiter kann die Orientierung des Leichtbautkerns auch anhand der Heizdrähte des Heizelements ermittelt werden.
In Varianten kann auf den Magneten verzichtet werden. In diesem Fall kann die korrekte Position des Leichtbaukerns innerhalb des Formwerkzeugs durch Abstandhalter (siehe unten) respektive durch eine zuvor gefertigte und in das Formwerkzeug eingebrachte Teilhülle gewährleistet werden. Dem Fachmann sind auch andere Sensortechniken bekannt, mit welchen die Lage des Leichtbaukerns im Formwerkzeug überprüft werden kann.
Vorzugsweise umfasst der Leichtbaukern mindestens einen Abstandhalter, welcher die Hülle lokal durchdringt, wobei der Abstandhalter insbesondere einstückig mit dem Leichtbaukern ausgebildet ist. Damit wird in besonders einfacher Weise eine Lagerichtige Positionierung des Leichtbaukerns in einem Formwerkzeug erreicht. Vorzugsweise münden die Abstandhalter in einer Spitze, so dass der Abstandhalter im Strukturbauteil von aussen kaum mehr sichtbar ist. Vorzugsweise weist der Abstandhalter daher eine Pyramidenform, insbesondere mit polygonaler, zum Beispiel quadratischer oder runder Grundfläche auf.
In Varianten können die Abstandhalter auch separat hergestellt und am Leichtbaukern angebracht werden. Ein oder mehrere Abstandhalter können auch mit dem Heizelement respektive dem Kühlelement verbunden sein. Schliesslich kann auf die Abstandhalter auch verzichtet werden, insbesondere wenn keine vollständige Umflutung respektive Umhüllung des Leichtbaukerns vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Leichtbaukern über freie, nicht zu beschichtende Fläche im Formwerkzeug gehalten werden.
Bevorzugt umfasst das zweite Material ein ausgehärtetes Polymer. Das Polymer wird vorzugsweise in flüssiger Form eingesetzt, so dass der Leichtbaukern damit umgossen, überflutet, etc. werden kann. Vorzugsweise handelt es sich beim ausgehärteten Polymer nicht um ein geschäumtes Polymer, sondern um ein lackartiges, ausgehärtetes Polymer.
In Varianten können auch andere Stoffe eingesetzt werden, welche vorzugsweise giessbar sind. Insbesondere können auch geschäumte Polymere eingesetzt werden.
Die durch das zweite gehärtete Polymer gebildete Hülle verleiht der Oberfläche des Strukturbauteils vorzugsweise spezifische optische und/oder haptische Eigenschaften. Weiter kann die Schicht auch die Stabilität des Strukturbauteils verbessern sowie den Leichtbaukern vor mechanischen und/oder chemischen Beschädigungen schützen.
Die Hülle wird vorzugsweise dadurch gebildet, dass ein Leichtbaukern mit dem Heizelement respektive Kühlelement versehen wird, und anschliessend in ein Formwerkzeug lagerichtig (zum Beispiel unter Verwendung von Abstandhalter) eingelegt wird. Dabei bildet sich zwischen der Oberfläche des Leichtbaukerns respektive des Heiz- und/oder Kühlelements sowie der Innenwand des Formwerkzeugs ein Zwischenraum, in welchem anschliessend das zweite Polymer geschäumt oder gegossen, insbesondere spritzgegossen und anschliessend ausgehärtet wird.
Das zweite ausgehärtete Polymer kann ein Homopolymer, ein Copolymer oder ein Polymerblend sein. Die Homopolymere und/oder Copolymere des zweiten ausgehärteten Polymers können unterschiedliche Polymerisationsgrade aufweisen. Das zweite ausgehärtete Polymer kann weiter in bestimmten Ausführungsformen Beimischungen von Fasermaterial, wie beispielsweise Glasfasern enthalten. Einem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das zweite ausgehärtete Polymer je nach Einsatzgebiet sowie Beanspruchung des Strukturbauteils ausgewählt werden kann.
Über der Schicht des zweiten gehärteten Polymers kann vorzugsweise mindestens eine weitere Schicht angeordnet sein, beispielsweise eine Schicht eines dritten gehärteten Polymers oder eine Schicht aus Glasfasermaterial. Durch diese mindestens eine weitere Schicht können die mechanischen, optischen und/oder haptischen Eigenschaften der Oberfläche des Strukturbauteils verändert werden. Auf die weiteren Schichten kann auch verzichtet werden.
Vorzugsweise bildet die Hülle in einem Kontaktbereich zwischen Leichtbaukern und Hülle, innerhalb des Leichtbaukerns ein Skelett.
Unter dem Begriff Skelett wird nachfolgend eine Konstruktion verstanden, welche die Steifigkeit und/oder die Festigkeit des Strukturbauteils in gewünschter Weise beeinflussen kann.
Vorzugsweise ist das Skelett einstückig mit der Hülle ausgebildet. Damit kann das Skelett in einem einzigen Arbeitsschritt zusammen mit der Hülle hergestellt werden. So kann ein besonders effizientes und kostengünstiges Strukturbauteil erreicht werden. Weiter wird durch die einstückige Verbindung mit der Hülle eine besonders hohe Stabilität des Strukturbauteils als Ganzes erreicht. Weiter kann damit zusätzlich der Leichtbaukern formschlüssig mit der Hülle verbunden werden, womit die Stabilität des Strukturbauteils weiter erhöht wird.
In Varianten kann das Skelett auch separat zur Hülle ausgebildet sein.
Durch die Ausbildung des Skeletts wird ein Strukturbauteil mit einem Heizelement und/oder einem Kühlelement geschaffen, welches eine besonders hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Bei geeigneter Konstruktion des Skeletts können Kräfte, welche auf die Oberfläche des Strukturbauteils, respektive auf die Hülle wirken, optimal aufgenommen und abgeleitet werden. Damit kann das Strukturbauteil derart konstruiert werden, dass zum Beispiel konkret Bereiche, welche grösseren Kräften ausgesetzt sind, mit einem geeigneten Skelett besser abgestützt werden. Je nach Ausbildung des Heizelements respektive des Kühlelements kann das Skelett auch in einem Bereich vorgesehen sein, in welchem das Heizelement respektive das Kühlelement angeordnet ist. Dazu kann das Heizelement respektive das Kühlelement Durchbrechungen aufweisen, durch welche hindurch die Hülle innerhalb des Leichtbaukerns ein Skelett bilden kann. Damit kann das Heizelement respektive das Kühlelement lagefest gehalten werden - auch dann, wenn eine Adhäsion zwischen Heizelement und Hülle sowie Leichtbaukern gering ausfallen sollte.
Der Einsatz des Skeletts hat weiter den Vorteil, dass das Strukturbauteil kostengünstig hergestellt werden kann. Durch die Ausbildung eines geeigneten Skeletts kann zum Beispiel eine Materialstärke der Hülle und/oder eine Qualität, insbesondere eine Festigkeit des Leichtbaukerns verringert werden, womit Kosten eingespart werden können.
Mit dem Einsatz eines geeigneten Skeletts kann dem Strukturbauteil weiter eine vorbestimmte Eigenschaft hinsichtlich der Stabilität, insbesondere der Steifigkeit und der Flexibilität, verliehen werden. Strukturbauteile, insbesondere in Anwendungen im Automobilbau, können unterschiedlichen Anforderungen unterliegen. So kann ein Strukturbauteil als Abdeckung vorgesehen sein, welche besonders Druckfest und Steif ausgebildet sein soll. Andere Strukturbauteile werden als Polster oder dergleichen eingesetzt, wo eine gewisse Flexibilität gewünscht ist. Erfindungsgemäss wird durch die Konstruktion des Skeletts ermöglicht, dem Strukturbauteil eine vorbestimmte Eigenschaft zu verleihen, welche auf den spezifischen Einsatz des Strukturbauteils abgestimmt ist. In einem Herstellungsprozess kann das Strukturbauteil vorab mit einem geeigneten Computerprogramm entworfen werden, worauf die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Flexibilität und der Steifigkeit simuliert werden können. Gleichzeitig kann eine Optimierung des Herstellungsprozesses und des Materialverbrauchs vorgenommen werden. Dazu wird das Skelett vorzugswiese derart konstruiert, dass einerseits die Herstellung einfach und kostengünstig und gleichzeitig der Materialverbrauch möglichst gering ist. Solche Konstruktionsverfahren sind dem Fachmann hinreichend bekannt.
Als Leichtbaukern wird in der folgenden Anmeldung ein Formteil aus einem Polymer mit einer geringen Dichte von insbesondere unter 0.5 kg/dm³ verstanden. Insbesondere bevorzugt besteht der Leichtbaukern aus einem Polymerschaum, einem Partikelschaum oder einem Verbund.
Der Leichtbaukern wird insbesondere in einem Formwerkzeug geschäumt oder mittels eines Giessverfahrens, insbesondere Spritzguss, hergestellt. Der Leichtbaukern weist eine beliebige dreidimensionale Form, das heisst der Leichtbaukern weist eine beliebige Freiform und Kontur auf.
Ein derartiger Leichtbaukern wird insbesondere zur Fertigung eines Strukturbauteils mit einem Heizelement und/oder Kühlelement verwendet. Das Strukturbauteil umfasst einen mit einer Hülle versehenden Leichtbaukern. Die Hülle weist vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante dicke auf. Die Hülle weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich zwischen 0.5 und 10 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 und 5 mm auf.
Bevorzugt umfasst der Leichtbaukern mindestens einen ersten Teilkern mit einer ersten Kontaktfläche und einem zweiten Teilkern mit einer zweiten Kontaktfläche, wobei der Leichtbaukern durch Zusammenführen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche gebildet wird. Damit wird eine zweiteilige Ausführung des Leichtbaukerns bereitgestellt. Der Leichtbaukern kann auch aus mehr als zwei Teilen zusammengesetzt sein. Insbesondere bei einer Herstellung in einem Formwerkzeug können damit mit relativ einfachen Werkzeugen auch komplexe Formen hergestellt werden, insbesondere zum Beispiel Hinterschnitte, welche ansonsten mit einem Formwerkzeug nur schwer zu realisieren sind.
Nach der Herstellung des ersten Teilkerns und des zweiten Teilkerns werden diese über deren Kontaktflächen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Drehorientierung zwischen den Teilkernen, verklebt. Damit wird der Leichtbaukern mit der Ausnehmung erreicht. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass ein Teil der Ausnehmung oder die ganze Ausnehmung auch nach dem Verkleben noch den Leichtbaukern eingebracht werden kann.
Mit diesem Verfahren ist es des Weiteren möglich, eine Aussparung für das Heizelement und/oder Kühlelement in dem Leichtbaukern einzubringen. Diese Aussparung kann damit insbesondere formschlüssig ausgebildet sein, wobei das Heizelement und/oder Kühlelement vor dem zusammenfügen der beiden Teilkerne in der Aussparung positioniert wird. Die Aussparung kann dazu umlaufend oder bereichsweise einen Hinterschnitt aufweisen. Auf die Aussparung zur formschlüssigen Aufnahme des Heizelements und/oder Kühlelements kann auch verzichtet werden.
In Varianten kann der Leichtbaukern auch einstückig ausgebildet sein. Damit kann der Leichtbaukern besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils wird ein Heizelement in oder an einem Leichtbaukern positioniert, insbesondere befestigt, worauf der Leichtbaukern mit dem zweiten Material umflutet, insbesondere vollständig umflutet wird. Damit kann das Strukturbauteil besonders effizient und kostengünstig hergestellt werden.
Das Heizelement und/oder Kühlelement kann zum Beispiel in eine Kavität eines Leichtbaukerns eingesetzt werden oder auf den Leichtbaukern aufgeklebt werden. Der Leichtbaukern wird anschliessend in einem Formwerkzeug positioniert und vorzugsweise in einem einzigen Giessverfahren durch Umfluten mit dem zweiten Material gebildet.
In einer weiteren Variante kann auch nach der Erstellung einer Teilhülle das Heizelement und/oder Kühlelement in der Hülle positioniert werden, worauf die Teilhülle mit dem ersten Material hinterschäumt wird.
Vorzugsweise ist die Kavität zum Einbringen des Heizelements und/oder Kühlelements in den Leichtbaukern eingeschnitten. In weiteren Varianten ist die Kavität im Leichtbaukern durch ein Spritzgussverfahren geformt. Dem Fachmann sind weitere Methoden bekannt. Schliesslich kann auf die Kavität auch verzichtet werden.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Figurenliste
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

1a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Leichtbaukerns zur Herstellung eines Strukturbauteils, wobei der Leichtbaukern in einem Formwerkzeug angeordnet ist;
1b eine schematische Schnittdarstellung gemäss 1a, wobei der Leichtbaukern im Formwerkzeug mit einer Hülle umflutet ist;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Strukturbauteils in einem Formwerkzeug.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die 1a zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Leichtbaukerns 130 zur Herstellung eines Strukturbauteils 100. Der vorliegende Leichtbaukern 130 weist eine im Wesentlichen quaderförmige Grundform auf. Der Leichtbaukern 130 ist mit einer Kavität 131 versehen, welche als Vertiefung in der Oberfläche ausgebildet ist. Vorliegend ist die Kavität direkt in einem Spritzgussverfahren während der Herstellung des Leichtbaukerns 130 gebildet. In einer weiteren hier nicht dargestellten Ausführungsform ist die Kavität nachträglich eingearbeitet, z.B. geschnitten oder gefräst. Innerhalb der Kavität 131 ist ein Heizelement 140 angeordnet. Das Heizelement 140 flächig ausgebildet und umfasst einen in einem als Matte ausgebildeten Trägermaterial eingewobenen Heizdraht (nicht dargestellt). Der Heizdraht ist über elektrische Leiter 141 mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar. Wird der elektrische Leiter 141 an eine Stromquelle angeschlossen (Batterie, Generator, Steckdose etc.), erhitzt sich der Heizdraht in Abhängigkeit des Widerstands des Drahtes und der zugeführten Stromstärke. Der Heizdraht ist vorliegend Mäanderförmig eingewoben, er kann prinzipiell aber in beliebiger Art und Weise in der Matte eingewoben sein.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform umfasst das Heizelement 140 einen Heizdraht, welcher auf einem Trägermaterial aufgeklebt oder anderweitig befestigt ist. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform umfasst das Heizelement ein Trägermaterial, auf welches elektrisch beheizbare metallische Leiter aufgedruckt sind. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform umfasst das Heizelement/Kühlelement Peltierelemente. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform umfasst das Heizelement/Kühlelement eine Rohrleitung, welche insbesondere Mäanderförmig verläuft. Die Rohrleitung ist mit einem Fluid als Wärmeträger gespiesen, zum Beispiel mit klimatisierter Luft (z.B. einer Klimaanlage eines Fahrzeugs) oder Wasser etc.
Der Leichtbaukern 130 besteht vorliegend aus einem geschäumten Polyurethan. Der Leichtbaukern 130 ist vorliegend einstückig ausgebildet. In einer weiteren hier nicht dargestellten Ausführungsform ist der Leichtbaukern 130 aus mehreren einzeln hergestellten Teilen hergestellt, welche über Klebeflächen verklebt sind.
Der Leichtbaukern 130 ist in einem Formwerkzeug 110 angeordnet. Das Formwerkzeug 110 umfasst zwei Formhälften 112 und 113, wobei die Formhälfte 112 einen Einlass 111 für das Hüllmaterial aufweist. Das Formwerkzeug 110 ist derart dimensioniert, dass sich zwischen dem im Formwerkzeug 110 positionierten Leichtbaukern 130 und der Innenwandung des Formwerkzeugs 110 ein Zwischenraum 114 ergibt, welcher der Materialstärke der vorgesehenen Hülle entspricht.
Die Positionierung des Leichtbaukerns 130 im Formwerkezug 110 ist vorliegend mit Abstandhalter erreicht, welche einstückig mit dem Leichtbaukern ausgebildet sind. Die Abstandhalter sind kegelförmig ausgebildet und so ausgerichtet, dass die Spitze distal ausgerichtet ist.
In einer weiteren, nicht dargestellten Variante sind die Abstandhalter als in den Leichtbaukern einsteckbare Stifte ausgebildet.
Die 1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht gemäss 1a, wobei der Leichtbaukern 130 im Formwerkzeug 110 mit einer Hülle 120 umgossen ist. Dazu wird das Hüllmaterial durch die Öffnung 111 des Formwerkzeugs 110 in den Zwischenraum 114 gegossen, um das Strukturbauteil 100 zu bilden. Nach dem Aushärten der Hülle 120 werden die beiden Hälften 112 und 113 des Formwerkzeugs 110 entfernt und das Strukturbauteil 100 freigelegt.
Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Strukturbauteils 200 in einem Formwerkzeug 210. Das Strukturbauteil 200 umfasst vorliegend einen Leichtbaukern 230 aus einem geschäumten Polystyrol. Der Leichtbaukern 230 des Strukturbauteils 200 weist vorliegend eine quaderförmige Grundform auf. Das Heizelement 240 ist wiederum flächig ausgebildet und umfasst Peltierelemente, welche über elektrische Leiter 241 mit Strom versorgt werden können, um das Strukturbauteil 200 entweder zu beheizen, oder durch tauschen der elektrischen Leiter das Strukturbauteil 200 zu kühlen.
Das Heizelement 240 ist vorliegend nicht in einer Kavität aufgenommen, sondern liegt direkt auf dem Leichtbaukern 230 auf. Das Heizelement 240 deckt vorliegend eine Seitenfläche des quaderförmigen Leichtbaukerns 230 vollständig ab. Um dennoch den Abstand zur Innenseite des Formwerkzeugs gewährleisten zu können, umfasst vorliegend neben dem Leichtbaukern 230 auch das Heizelement 240 Abstandhalter 232. Diese können einstückig mit dem Heizelement 240 respektive dem Leichtbaukern 230 oder auch als separate Teile nachträglich mit dem Heizelement 240 respektive dem Leichtbaukern 230 verbunden sein.
In weiteren Varianten umfasst das Strukturbauteil mehrere, insbesondere miteinander elektrisch verbundene Heizelemente. Damit kann in einfacher Weise, durch zuschalten von einzelnen Heizelementen, die Temperatur reguliert werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass erfindungsgemäss ein Strukturbauteil geschaffen wird, welcher bei besonders einfacher Herstellung mit spezifischer Stabilität respektive Flexibilität ausgestattet werden kann.
Bezugszeichenliste

100, 200: Strukturbauteil
110, 210: Formwerkzeug
111,211: Öffnung
112, 212: Formhälfte
113,213: Formhälfte
114, 214: Zwischenraum
120, 220: Hülle
130, 230: Leichtbaukern
131: Kavität
132, 232: Abstandhalter
140, 240: Heizelement
141, 241: Elektrische Leiter

Claims

Strukturbauteil (100), umfassend einen Leichtbaukern (130) aus einem ersten Material und eine Hülle (120) aus einem zweiten Material, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (100) weiter ein Heizelement und/oder ein Kühlelement (140) umfasst.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) zwischen dem Leichtbaukern (130) und der Hülle (120) angeordnet ist.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) flächig ausgebildet ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) eine Heizschlange umfasst.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschlange mäanderförmig angeordnet ist.
Strukturbauteil (100) einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) ein Trägermaterial umfasst, in welchem ein elektrisch leitender Draht eingewoben ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) ein Trägermaterial umfasst, auf welchem elektrische Leiter aufgedruckt sind.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (140) mindestens zwei elektrischen Leiter umfasst, welche die Hülle (120) des Strukturbauteils (100) nach aussen durchdringen.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (120) einstückig ausgebildet ist und insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbaukern (130) einen Grundkörper aus einem ersten gehärteten Polymer umfasst, welcher insbesondere als Hartschaum vorliegt.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gehärtete Polymer ein Polyurethan oder ein Partikelschaum, insbesondere geschäumtes Polystyrol, geschäumtes Polyethylen oder geschäumtes Polypropylen umfasst.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbaukern (130) mindestens einen Abstandhalter (132) umfasst, welcher die Hülle (120) lokal durchdringt, wobei der Abstandhalter (132) insbesondere einstückig mit dem Leichtbaukern (130) ausgebildet ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein ausgehärtetes Polymer umfasst.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kontaktbereich zwischen Leichtbaukern (130) und Hülle (120), die Hülle (120) innerhalb des Leichtbaukerns (130) ein Skelett bildet.
Leichtbaukern (130) zur Verwendung in einem Strukturbauteil (100), insbesondere einem Strukturbauteil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Ausnehmung (131) umfasst, in welche ein Heizelement einsetzbar ist.
Leichtbaukern (130) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen ersten Teilkern mit einer ersten Kontaktfläche und einem zweiten Teilkern mit einer zweiten Kontaktfläche umfasst, wobei der Leichtbaukern (130) durch zusammenführen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche gebildet wird.
Heizelement (140) zur Verwendung in einem Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement mindestens einen Abstandhalter zur lagerichtigen Positionierung des Heizelements relativ zu einem Leichtbaukern und/oder relativ zu einer Hülle (120) innerhalb eines Formwerkzeugs umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (100), insbesondere eines Strukturbauteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend einen Leichtbaukern (130) aus einem ersten Material und eine Hülle (120) aus einem zweiten Material, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Positionieren eines Heizelements (140) in oder an einem Leichtbaukern (130); b. Umfluten des Leichtbaukerns (130) mit dem zweiten Material.