DE102019007023B4 - Strukturbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Strukturbauteil (100), umfassend einen Leichtbaukern (130), der als ein Formteil aus einem Polymer als erstes Material ausgebildet ist, und eine Hülle (120) aus einem zweiten Material, wobei die Hülle (120) mit dem Leichtbaukern (130) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Strukturbauteil (100) einen ersten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) umfasst, wobei der erste Verbindungs-Teilbereich eine oberflächenvergrößernde erste Textur (131.1 - 131.4) am Leichtbaukern (130) umfasst, an welcher die Hülle (120) zur Bildung des Verbindungs-Teilbereichs anhaftet, und dass
- das Strukturbauteil (100) einen zweiten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) umfasst, wobei der zweite Verbindungs-Teilbereich eine zweite Textur (132) am Leichtbaukern (130) umfasst, an welcher die Hülle (120) zur Bildung des zweiten Verbindungs-Teilbereichs anhaftet, wobei
- die zweite Textur (132) sich von der ersten Textur (131.1 - 131.4) unterscheidet, wobei eine erste Haftkraft zwischen der Hülle (120) und dem Leichtbaukern (130) im ersten Verbindungs-Teilbereich größer ist als eine zweite Haftkraft zwischen der Hülle (120) und dem Leichtbaukern (130) im zweiten Verbindungs-Teilbereich, wobei der erste Verbindungs-Teilbereich und der zweite Verbindungs-Teilbereich durch einen Teil der Oberfläche des Leichtbaukerns (130) gebildet werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, umfassend einen Leichtbaukern aus einem ersten Material und eine Hülle aus einem zweiten Material, wobei die Hülle mit dem Leichtbaukern verbunden ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden 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.
  • Aus der EP 2 540 471 A2 (Gealan Formteile GmbH) ist bekannt, die Beschichtung in zwei Verfahrensschritten in einem Formwerkzeug zu erstellen, wobei der Leichtbaukern in einem Formwerkzeug auf einer zuvor im Formwerkzeug erstellten Teilbeschichtung positioniert und anschließend das halbfertige Strukturbauteil mit dem Beschichtungsmaterial überflutet wird, um das vollständig umflutete Strukturbauteil zu erreichen. Um den Leichtbaukern während des Überflutens an Ort zu halten, kann der Leichtbaukern über einen Formschluss, Stoffschluss oder Kraftschluss an der Teilbeschichtung befestigt werden. Dazu kann eine Nut, ein Bund, eine Folienverbindung etc. vorgesehen sein.
  • Weiter ist aus der EP 2 910 357 A1 ein Formteil aus Polymerschaum mit Hinterschnitten bekannt, wobei ein thermoplastisches Polymer in die Hinterschnitte gegossen wird, um eine mechanisch stabilere Verbindung zu erreichen.
  • Die EP 3 031 592 A1 offenbart einen Schaumkern mit Beschichtung, welchen über eine Schwalbenschwanz-Verbindung verbunden sind. Die Tiefe der Schwalbenschwanzverbindung liegt zwischen 1.5 mm und 50 mm. Der Schaumkern kann extrudiert werden und die Beschichtung kann aufgeformt werden.
  • Die DE 10 2010 031 814 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs zum Ausformen von Formteilen. Dabei weist eine Formwerkzeuginnenfläche des Formwerkzeugs eine Negativstruktur auf, mittels derer am ausformbaren Formteil eine korrespondierende Positivstruktur erzeugbar ist.
  • Die DE 10 2011 102 085 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, bei dem ein Flächenelement an ein Ausgangsbauteil angelegt wird. Das Ausgangsbauteil wird zusammen mit dem Flächenelement zwischen wenigstens zwei Lagen eines mediumdichten Materials eingelegt, wobei diese zu einem geschlossenen, mediumdichten Kuvert zusammengefügt werden. Dann wird das Flächenelement unter Druck und Hitze durch Diffusion mit dem Ausgangsbauteil verbunden, wobei Ausgangsbauteil und Flächenelement ein neues Bauteil ausbilden. Das neue Bauteil weist dann im Bereich des Flächenelements eine vorteilhaft profilierte Oberflächenstruktur auf, welche beispielsweise zur Verbesserung von Klebungen geeignet ist.
  • Die bekannten Strukturbauteile haben nach wie vor den Nachteil, dass sie komplex und teuer in der Herstellung sind.
  • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Strukturbauteil zu schaffen, welches in der Herstellung einfach und kostengünstig ist.
  • Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Strukturbauteil einen ersten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle und Leichtbaukern, wobei der erste Verbindungs-Teilbereich eine oberflächenvergrößernde erste Textur am Leichtbaukern umfasst, an welcher die Hülle zur Bildung des Verbindungs-Teilbereichs anhaftet. Weiter umfasst das Strukturbauteil einen zweiten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle und Leichtbaukern, wobei der zweite Verbindungs-Teilbereich eine zweite Textur am Leichtbaukern umfasst, an welcher die Hülle zur Bildung des zweiten Verbindungs-Teilbereichs anhaftet, und wobei die zweite Textur sich von der ersten Textur unterscheidet.
  • Dadurch, dass sich die Textur im ersten Verbindungs-Teilbereich von der Textur des zweiten Verbindungs-Teilbereichs unterschiedet, kann die Haftung zwischen Hülle und Leichtbaukern gezielt optimiert werden, indem gerade dort eine erhöhte Haftung zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern bereitgestellt wird, wo insbesondere in der Anwendung größere Kräfte wirken. Typischerweise ist das Erstellen von Verbindungs-Teilbereichen mit erhöhter Haftung technisch aufwendiger, womit das Strukturbauteil in der Herstellung teurer wird.
  • 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 erste respektive zweite Verbindungs-Teilbereich umfasst jeweils einen Teil des Verbindungsbereichs zwischen dem Leichtbaukern und der Hülle. Der erste und der zweite Verbindungs-Teilbereich müssen dabei nicht den gesamten Verbindungsbereich zwischen Leichtbaukern und Hülle umfassen. Der Verbindungs-Teilbereich wird durch einen Teil der Oberfläche des Leichtbaukerns gebildet. Ein Verbindungs-Teilbereich ist definiert durch eine zusammenhängende Fläche mit gleichbleibender Textur. In Varianten kann der Verbindungsteilbereich auch durch eine zusammenhängende Fläche mit gleichbleibender oder sich kontinuierlich ändernder Textur definiert sein.
  • Um eine verbesserte Verbindung respektive Haftung zwischen dem Leichtbaukern und der Hülle zu erreichen, umfasst der erste Verbindungs-Teilbereich eine oberflächenvergrößernde Textur. Vorzugsweise wird die Textur mit dem Formwerkzeug zur Herstellung des Leichtbaukerns erzeugt (siehe unten). Die Textur kann ungeordnet oder geordnet, insbesondere mit replizierten Muster, ausgeführt sein. Die replizierten Muster können Nuten, runde, polygonale etc. Löcher respektive Vertiefungen und dergleichen umfassen. Dem Fachmann ist dazu eine Vielzahl an Möglichkeiten bekannt.
  • Die oberflächenvergrößernde Textur kann in einem einfachen Fall aber auch durch Schaumporen des Leichtbaukerns gebildet sein. Die Schaumporen können im Rahmen der Herstellung des Lichtbaukerns erzeugt werden, z.B. indem das Werkzeug für die Herstellung des Leichtbaukerns geeignet beschichtet wird, so dass sich bei der Aushärtung keine Haut auf dem Leichtbaukern bildet. Weiter kann der Leichtbaukern auch nach der Herstellung einem Bearbeitungsschritt unterzogen werden, um die Textur zu erreichen. Dazu kann zum Beispiel ein Schleifvorgang oder dergleichen vorgesehen sein, welcher eine Haut des Leichtbaukerns entfernt oder aber auch Poren vergrößert. Dem Fachmann sind weitere Varianten bekannt.
  • Mindestens die erste Textur weist eine oberflächenvergrößernde Textur auf (welche zum Beispiel durch Poren oder dergleichen erreicht werden kann, siehe oben). Die oberflächenvergrößernde Textur wird auch durch die Hülle definiert - bei hoher Viskosität des Hüllmaterials kann die Gesamtoberfläche der Textur hinsichtlich des Anhaftens der Hülle am Leichtbaukern kleiner sein als bei einer geringen Viskosität. Die zweite Textur kann ebenfalls eine oberflächenvergrößernde Textur aufweisen. Die erste und die zweite Textur unterscheiden sich vorzugsweise in der oberflächenvergrößernden Textur.
  • Der Begriff „a und/oder b“ ist vorliegend dahingehend zu interpretieren, dass eines von „a“, „b“ respektive „a und b“ zutrifft.
  • Erfindungsgemäß ist eine erste Haftkraft zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern im ersten Verbindungs-Teilbereich größer als eine zweite Haftkraft zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern im zweiten Verbindungs-Teilbereich. Unter der Haftkraft wird vorliegend eine Grenzkraft verstanden, welche rechtwinklig zur Hüllenoberfläche wirkend die Hülle vom Leichtbaukern zu entfernen vermag.
  • Damit können die Verbindungs-Teilbereiche einer späteren Verwendung des Strukturbauteils angepasst werden. Die Verbindungsteilbereiche mit größerer Haftkraft können an Stellen des Strukturbauteils angebracht werden, an welcher der Verbindungsteilbereich in der Verwendung einer höheren Belastung ausgesetzt ist. Damit kann das Strukturbauteil gezielt auf eine bestimmte Anwendung konstruiert und hergestellt werden.
  • Einerseits kann damit ein kostengünstiges Strukturbauteil geschaffen werden, da typischerweise Verbindungsteilbereiche mit höherer Haftkraft technisch aufwendiger und damit teurer in der Herstellung sind. Anderseits kann damit ein Strukturbauteil geschaffen werden, welches den konkreten Belastungen in der Anwendung gerecht wird. Insbesondere kann es in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Hülle und des Leichtbaukerns auch von Vorteil sein, eine geringere Haftkraft in einem Verbindungsteilbereich vorzusehen, insbesondere zum Beispiel in elastischen Bereichen des Strukturbauteils. Damit können zum Beispiel bei einer Biegung des Strukturbauteils geringfügige Relativbewegungen zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern zulässig sein, womit Risse in der Hülle vermieden werden können.
  • Vorzugsweise sind der erste Verbindungs-Teilbereich und der zweite Verbindungs-Teilbereich derart dimensioniert und angeordnet, dass eine vorbestimmte Stabilität und/oder Flexibilität des Strukturbauteils erreichbar ist. Damit können einerseits physikalische Eigenschaften des Strukturbauteils besonders zielgerichtet erreicht werden. Anderseits können durch die Optimierung der Dimensionierung und Anordnung der beiden Verbindungsteilbereiche eine besonders kostengünstige Herstellung erreicht werden. Dem Fachmann ist klar, dass auch mehr als zwei Verbindungsteilbereiche vorgesehen sein können, insbesondere können zum Beispiel mehr als 5 Verbindungsteilbereiche, insbesondere mehr als 20 Verbindungsteilbereiche, vorgesehen sein. Damit können die physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel eine Belastungsgrenze des Strukturbauteils, besonders präzise eingestellt werden. Das Strukturbauteil kann auch wesentlich mehr als 20 Verbindungsteilbereiche, zum Beispiel mehr als 100 oder mehr als 1000 Verbindungsteilbereiche, umfassen. Die Anzahl der Verbindungsteilbereiche hängt insbesondere auch von der Größe des Strukturbauteils ab.
  • In Varianten kann auf die zielgerichtete Dimensionierung und/oder Anordnung auch verzichtet werden. In diesem Fall können die Verbindungsteilbereiche jeweils dieselbe Fläche aufweisen. Die Dimensionierung kann auch unabhängig von einer vorbestimmbaren Stabilität erfolgen und zum Beispiel lediglich die Geometrie des Strukturbauteils berücksichtigen. Zum Beispiel kann gezielt bei konkaven Bereichen des Strukturbauteils auf oberflächenvergrößernde Texturen verzichtet werden.
  • Vorzugsweise wird eine Gesamtfläche des ersten Verbindungs-Teilbereichs derart minimiert, dass eine vorbestimmte Belastungsgrenze zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern erreichbar ist. Die Gesamtfläche des ersten Verbindungsteilbereichs wird damit derart optimiert, dass die vorbestimmte Belastungsgrenze noch eingehalten werden kann. Durch die Minimierung der Gesamtfläche kann das Strukturbauteil besonders kostengünstig hergestellt werden.
  • In Varianten kann auf die Minimierung der Gesamtfläche des ersten Verbindungs-Teilbereichs auch verzichtet werden.
  • Bevorzugt ist die Textur des ersten Verbindungs-Teilbereichs derart gewählt, dass eine vorbestimmte Belastungsgrenze zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern erreichbar ist. Bei der Textur kann dazu insbesondere die in der Verbindung mit der Hülle wirkende Oberfläche variiert werden. Um eine höhere Belastungsgrenze zu erzielen, kann zum Beispiel eine Textur gewählt werden, welche eine stärkere Vergrößerung der Oberfläche zur Folge hat. Dazu können pro Flächeneinheit zum Beispiel mehr Erhebungen respektive Vertiefungen vorgesehen sein. Weiter können auch höhere Erhebungen respektive tiefere Vertiefungen vorgesehen sein. Dem Fachmann sind weitere Möglichkeiten bekannt.
  • In Varianten kann die erste Textur unabhängig von der Belastungsgrenze gewählt sein.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die Gesamtfläche und die Textur des ersten Verbindungsteilbereichs derart optimiert, dass die Herstellungskosten für das Strukturbauteil besonders günstig sind. Dabei kann zum Beispiel zwischen Änderung der Gesamtfläche und Art der Textur abgewogen werden. Bei komplex geformten Strukturbauteilen kann es zum Beispiel von Vorteil sein, die Gesamtfläche der Textur tendenziell gering zu halten und gleichzeitig die wirksame Oberfläche (d.h. zum Beispiel Porentiefe etc.) der Textur zu vergrößern.
  • In Varianten kann auch nur einer der Faktoren berücksichtigt werden.
  • Beispielsweise liegt der erste Verbindungs-Teilbereich in einem Bereich einer ersten potentiellen Belastung zwischen Hülle und Leichtbaukern und der zweite Verbindungs-Teilbereich in einem Bereich einer zweiten potentiellen Belastung zwischen Hülle und Leichtbaukern, wobei die erste potentielle Belastung größer ist als die zweite potentielle Belastung. Damit können die Verbindungsteilbereiche alternativ oder zusätzlich zum Strukturbauteil per se auch dem Einsatz des Strukturbauteils entsprechend optimiert werden. Falls das Strukturbauteil speziellen Belastungen ausgesetzt ist, kann die Verbindung zwischen Hülle und Leichtbaukern an stark belasteten Stellen gezielt verstärkt werden.
  • In Varianten können der Einsatz des Verbindungs-Teilbereichs und damit die potentiellen Belastungen in der Verwendung des Strukturbauteils unberücksichtigt bleiben.
  • Vorzugsweise ist die Textur einstückig mit dem Leichtbaukern ausgebildet. Damit kann ein besonders einfacher und damit kostengünstiger Aufbau des Leichtbaukerns erreicht werden.
  • Bevorzugt umfasst die Textur im ersten Verbindungs-Teilbereich Vertiefungen in der Oberfläche und/oder Erhebungen auf der Oberfläche des Leichtbaukerns, welche eine Tiefe respektive eine Höhe zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, aufweisen. Somit ist die Textur des ersten Verbindungs-Teilbereichs vorzugsweise als Mikrotextur ausgebildet.
  • In Varianten kann die Textur auch größer dimensioniert sein.
  • Vorzugsweise ist der Abstand zwischen benachbarten Vertiefungen respektive benachbarten Erhebungen im ersten Verbindungs-Teilbereich kleiner als 4 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Unter dem Begriff „Abstand“ ist jeweils der minimale Abstand zu verstehen. Als benachbarte Vertiefung respektive Erhebung wird jeweils der nächste Nachbar derselben Art (Abstände werden entweder zwischen Erhebungen oder zwischen Vertiefungen gemessen) verstanden. Besonders bevorzugt sind die durchschnittlichen Abstände benachbarter Vertiefungen respektive Erhebungen im ersten Verbindungs-Teilbereich kleiner als 4 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Dadurch, dass die Abstände zwischen den Erhebungen respektive Vertiefungen gering gehalten werden, kann eine optimale Oberflächenvergrößerung erreicht werden. Damit kann insbesondere die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern optimiert werden.
  • In Varianten können die Abstände zwischen benachbarten Erhebungen respektive Vertiefungen auch größer sein.
  • Vorzugsweise umfassen die Vertiefungen und/oder die Erhebungen zumindest teilweise Hinterschnitte. Damit kann die Hülle derart ausgebildet sein, dass die Hinterschnitte durch die Hülle hintergriffen werden, womit eine verbesserte Haftung der Hülle auf der Textur des Leichtbaukerns erreicht werden kann.
  • In Varianten kann auf die Hinterschnitte auch verzichtet werden.
  • Bevorzugt ist der Leichtbaukern im Bereich der Hinterschnitte elastisch ausgebildet. Damit wird erreicht, dass der Leichtbaukern in einem einzigen Arbeitsschritt in einem Formwerkzeug geschäumt werden kann, wobei der Leichtbaukern in einfacher Weise aus dem Formwerkzeug entfernt werden kann. Dadurch, dass der Leichtbaukern im Bereich der Hinterschnitte elastisch ausgebildet ist, kann der Leichtbaukern im Wesentlichen rechtwinklig zur Textur aus dem Formwerkzeug gezogen werden. Dabei werden die distalen Bereiche der Hinterschnitte kurzzeitig gequetscht, der Hinterschnitt wird jedoch durch die Elastizität wieder erreicht.
  • In Varianten kann auf die Elastizität des Bereichs der Hinterschnitte auch verzichtet werden.
  • Vorzugsweise umfasst der zweite Verbindungs-Teilbereich eine rein kraftschlüssige Verbindung zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern. Damit wird eine Haftkraft zwischen der Hülle und dem Leichtbaukern im zweiten Verbindungsteilbereich geringer als im ersten Verbindungsteilbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Verbindungsteilbereich eine Oberfläche auf, welche durch einen entsprechenden glatten Bereich eines Formwerkzeugs auf dem Leichtbaukern erzeugt wird. Anders ausgedrückt wird für den zweiten Verbindungsteilbereich vorzugsweise keine aktive respektive keine bewusste Veränderung der Oberfläche angestrebt, womit wiederum die Herstellungskosten des Strukturbauteils gering gehalten werden können.
  • In Varianten kann der zweite Verbindungsteilbereich eine Textur aufweisen, welche sich von einer durch einen mit einer glatten Oberfläche versehenen Bereich eines Formwerkzeugs erzeugten Oberfläche des Leichtbaukerns unterscheidet.
  • In einem Verfahren zur Herstellung eines Leichtbaukerns für ein Strukturbauteil unter Verwendung eines Formwerkzeugs, in welchem eine der Textur entsprechende Negativ-Textur ausgebildet ist, womit die Textur im Leichtbaukern ausgebildet werden kann, wird das Formwerkzeug mit einem sich zum ersten Material bildenden Stoff geflutet. Vorzugsweise handelt es sich bei der Umwandlung des Stoffes zum ersten Material um eine Polymerisation zu einem Schaum.
  • Bevorzugt wird der Leichtbaukern vor einer vollständigen Aushärtung aus dem Formwerkzeug entfernt. Insbesondere wenn in der Textur Hinterschnitte im Leichtbaukern ausgebildet werden sollen, kann es von Vorteil sein, wenn der Leichtbaukern vor der vollständigen Aushärtung und damit in geringfügig elastischem Zustand aus dem Formwerkzeug entfernt wird.
  • In Varianten kann der Leichtbaukern auch nach der vollständigen Aushärtung aus dem Formwerkzeug entfernt werden, insbesondere wenn der Leichtbaukern keine Hinterschnitte aufweist respektive wenn das Material des Leichtbaukerns und die Dimensionierung der Hinterschnitte ein Entfernen des Leichtbaukerns aus dem Formwerkzeug auch nach vollständiger Aushärtung zulassen, ohne die Textur zu beschädigen.
  • Dem Fachmann ist klar, dass die flächenvergrößernde Textur auch anderweitig in den Leichtbaukern eingebracht werden kann. Insbesondere kann dazu ein Bearbeitungsschritt vorgesehen sein, welcher sich an das Spritzgießen (oder andere Herstellungsmethoden) des Leichtbaukerns anschließen. Die Textur kann mechanisch, zum Beispiel über einen Fräsvorgang, einen Schleifvorgang, durch Einschneiden mit Messer, Säge oder dergleichen, erreicht werden.
  • Weiter kann die Textur auch chemisch durch Ätzen oder dergleichen erreicht werden. Schließlich kann die Textur auch thermisch durch Einschmelzen oder dergleichen erreicht werden. Dem Fachmann sind dazu viele Varianten bekannt.
  • In einer Verwendung eines Strukturbauteils wirkt auf das Strukturbauteil eine erste Kraft derart ein, dass im ersten Verbindungs-Teilbereich eine erste Belastung zwischen Hülle und Leichtbaukern wirkt und im zweiten Verbindungs-Teilbereich eine zweite Belastung zwischen Hülle und Leichtbaukern wirkt, wobei die erste Belastung größer ist als die zweite Belastung. Das Strukturbauteil wird damit derart eingesetzt, dass die zweiten Verbindungsteilbereiche schwächer belastet sind als die ersten Verbindungsteilbereiche.
  • Besonders bevorzugt umgibt die Hülle den Leichtbaukern im Wesentlichen vollständig. Der Leichtbaukern wird damit durch die Hülle eingefasst, wobei gegebenenfalls einzelne Unterbrüche in der Hülle zulässig sind. Solche Unterbrüche können zum Beispiel aufgrund von Abstandhalter oder dergleichen erzeugt sein. Mit „im Wesentlichen vollständig“ wird ein Abdeckungsgrad der Oberfläche des Leichtbaukerns durch die Hülle von mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 %, insbesondere bevorzugt mindestens 99 %, verstanden, wobei der Abdeckungsgrad als die durch die Hülle abgedeckte Oberfläche des Leichtbaukerns mal 100 % geteilt durch die gesamte Oberfläche des Leichtbaukerns verstanden wird. Dem Fachmann ist klar, dass der Begriff der Oberfläche im vorliegenden Sinne keine innere Oberfläche (zum Beispiel Poren oder innerer Hohlraum) und auch keine Oberfläche einer oberflächenvergrößernden Textur des Leichtbaukerns umfasst. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgibt die Hülle den Leichtbaukern vollständig, d.h. zu 100 %. Damit wird der Leichtbaukern formschlüssig durch die Hülle gehalten.
  • In Varianten kann die Hülle auch den Leichtbaukern auch zu weniger als 90 % umgeben.
  • 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. Damit kann ein optisch besonders ansprechendes Strukturbauteil geschaffen werden. Weiter kann damit der Aufwand für eine allfällige Nachbearbeitung gering gehalten werden. 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 des Strukturbauteils ermöglicht wird. Die Herstellung des Strukturbauteils kann dazu auf unterschiedliche Weisen erfolgen, insbesondere kann ein 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.
  • Vorzugsweise 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 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 auf, insbesondere mit polygonaler, zum Beispiel quadratischer, oder runder Grundfläche.
  • In Varianten können die Abstandhalter auch separat hergestellt und am Leichtbaukern angebracht werden. 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 Flächen 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 in ein Formwerkzeug lagerichtig (zum Beispiel unter Verwendung von Abstandhaltern) eingelegt wird. Dabei bildet sich zwischen der Oberfläche des Leichtbaukerns 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.
  • Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Leichtbaukerns zur Herstellung eines Strukturbauteils;
    • 1b eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht des Leichtbaukerns gemäß 1a, angeordnet in einem Formwerkzeug;
    • 1c eine schematische Schnittdarstellung gemäß 1b, wobei der Leichtbaukern im Formwerkzeug mit einer Hülle umgossen ist und das Strukturbauteil bildet;
    • 1d eine schematische Schnittdarstellung durch das Strukturbauteil gemäß 1c außerhalb des Formwerkzeugs;
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Strukturbauteils; und
    • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Strukturbauteils.
  • 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 quaderförmige Grundform auf. Der Leichtbaukern 130 weist in den Eckbereichen eine erste Textur 131.1 - 131.4 auf, welche die Oberfläche des Leichtbaukerns 130 vergrößert und so ein Anhaften der nachfolgend aufzubringenden Hülle verbessert. Damit können im quaderförmigen Strukturbauteil 100 die Kanten respektive Ecken gezielt verstärkt werden. Zwischen den Bereichen mit der ersten Textur 131.1 - 131.4 liegt vorliegend ein einziger zusammenhängender Bereich einer zweiten Textur 132, welcher eine glatte Oberfläche aufweist, das heißt eine glatte Textur und damit auch keine Oberflächenvergrößerung aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Textur jedoch auch eine oberflächenvergrößernde Struktur auf, welche sich von der ersten Textur unterscheidet.
  • Die erste Textur 131.1 - 131.4 ist vorliegend direkt in einem Spritzgussverfahren am Leichtbaukern 130 angeformt, indem die Spritzgussform mit der entsprechenden Negativ-Textur versehen ist. Die erste Textur 131.1 - 131.4 umfasst vorliegend eine Vielzahl ungeordneter Nuten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Textur 131.1 - 131.4 hinterschnittene Bereiche, insbesondere hinterschnittene Nuten und/oder anderweitige hinterschnittene Ausnehmungen respektive Erhebungen.
  • Die erste Textur 131.1 - 131.4 weist eine Texturtiefe von 0,4 mm auf. Bei hinterschnittenen Texturbereichen beträgt die Hinterschnitt-Tiefe 20 - 80 % der Texturtiefe, vorzugsweise ungefähr 50 % der Texturtiefe. In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Textur 131.1 - 131.4 mit einem Fräsverfahren in den Leichtbaukern 130 eingebracht. Der Leichtbaukern 130 besteht vorliegend aus einem geschäumten Polyurethan.
  • Die 1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht des Leichtbaukerns 130 gemäß 1a, angeordnet in einem Formwerkzeug 110. 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 Formwerkzeug 110 kann in bekannter Weise mit Abstandhaltern erreicht werden, welche zum Beispiel in den Leichtbaukern 130 einsteckbare Stifte umfassen können oder einstückig mit dem Leichtbaukern 130 ausgebildet sein können. Dem Fachmann sind weitere Varianten bekannt.
  • Die 1c zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht gemäß 1b, 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. Das Hüllmaterial fließt dabei auch in die erste Textur 131.1 - 131.4 insbesondere in die Nuten respektive in die Ausnehmungen. Durch die vergrößerte Oberfläche der ersten Textur 131.1 - 131.4 wird eine vergrößerte Haftfläche zwischen der Hülle 120 und dem Leichtbaukern 130 erreicht, womit die Hülle 120 in diesen Bereichen besser am Leichtbaukern 130 anhaftet.
  • Die 1d zeigt schließlich eine schematische Schnittdarstellung durch das Strukturbauteil 100 gemäß 1c außerhalb des Formwerkzeugs. Durch die verbesserte Haftung zwischen der Hülle 120 und dem Leichtbaukern 130 im Bereich der Kanten wird ein besonders robustes Strukturbauteil 100 erreicht.
  • Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Strukturbauteils 200, welches plattenförmig ausgebildet ist. Die Platte wird in der Verwendung in einem zentralen Bereich der Plattenfläche höher belastet als im Randbereich. Dies kann zum Beispiel durch eine Abstützung des plattenförmigen Strukturbauteils 200 im zentralen Bereich verursacht sein. Daher ist in diesem zentralen Bereich am Leichtbaukern 230 eine erste Textur 231.1, 231.2 ausgebildet, welche eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Außerhalb der ersten Textur 231.1 - 231.2 weist die Oberfläche eine glatte, zweite Textur 232 auf. Die vergrößerte Oberfläche wird vorliegend durch eine poröse Struktur erreicht. Dazu wird im Verfahren der Leichtbaukern 230 derart geschliffen, dass die schaumförmige und poröse Struktur im zentralen Bereich zum Vorschein kommt. Währen des Umflutens mit dem Hüllmaterial dringt letzteres in die Poren ein, womit wiederum eine verbesserte Haftung zwischen dem Leichtbaukern 230 und der Hülle 220 erreicht wird.
  • Die 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Strukturbauteils 300, welches U-förmig ausgebildet ist. Die beiden Schenkel der U-Form sind vorliegend in der Anwendung einer Quer-Belastung ausgesetzt, welche insbesondere auf die inneren Kanten im Übergang zwischen dem Kopfteil der U-Form und den Schenkeln wirkt. Daher sind diese Kantenbereiche mit einer ersten Textur 331.1, 331.2 versehen, welche vorliegend durch eine Vielzahl regelmäßig beabstandeter Nuten ausgebildet ist.
  • Außerhalb der ersten Textur 331.1 - 331.2 weist die Oberfläche eine glatte, zweite Textur 332 auf. Damit kann der Leichtbaukern 330 auch durch ein Extrusionsverfahren hergestellt werden.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass erfindungsgemäß ein Strukturbauteil bereitgestellt wird, bei welchem mit kostengünstigen und technisch einfachen Mitteln eine besonders hohe Stabilität erreichbar ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 200, 300
    Strukturbauteil
    110
    Formwerkzeug
    111
    Einlass
    112, 113
    Formhälfte
    114
    Zwischenraum
    120, 220, 320
    Hülle
    130,230,330
    Leichtbaukern
    131.1-131.4 231.1 - 231.2 331.1 - 331.2
    Erste Textur
    132, 232, 332
    Zweite Textur

Claims (10)

  1. Strukturbauteil (100), umfassend einen Leichtbaukern (130), der als ein Formteil aus einem Polymer als erstes Material ausgebildet ist, und eine Hülle (120) aus einem zweiten Material, wobei die Hülle (120) mit dem Leichtbaukern (130) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Strukturbauteil (100) einen ersten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) umfasst, wobei der erste Verbindungs-Teilbereich eine oberflächenvergrößernde erste Textur (131.1 - 131.4) am Leichtbaukern (130) umfasst, an welcher die Hülle (120) zur Bildung des Verbindungs-Teilbereichs anhaftet, und dass - das Strukturbauteil (100) einen zweiten Verbindungs-Teilbereich zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) umfasst, wobei der zweite Verbindungs-Teilbereich eine zweite Textur (132) am Leichtbaukern (130) umfasst, an welcher die Hülle (120) zur Bildung des zweiten Verbindungs-Teilbereichs anhaftet, wobei - die zweite Textur (132) sich von der ersten Textur (131.1 - 131.4) unterscheidet, wobei eine erste Haftkraft zwischen der Hülle (120) und dem Leichtbaukern (130) im ersten Verbindungs-Teilbereich größer ist als eine zweite Haftkraft zwischen der Hülle (120) und dem Leichtbaukern (130) im zweiten Verbindungs-Teilbereich, wobei der erste Verbindungs-Teilbereich und der zweite Verbindungs-Teilbereich durch einen Teil der Oberfläche des Leichtbaukerns (130) gebildet werden.
  2. Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungs-Teilbereich in einem Bereich einer ersten potentiellen Belastung zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) liegt und der zweite Verbindungs-Teilbereich in einem Bereich einer zweiten potentiellen Belastung zwischen Hülle (120) und Leichtbaukern (130) liegt, wobei die erste potentielle Belastung größer ist als die zweite potentielle Belastung.
  3. Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Textur (131.1 - 131.4) im ersten Verbindungs-Teilbereich einstückig mit dem Leichtbaukern (130) ausgebildet ist.
  4. Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Textur (131.1 - 131.4) im ersten Verbindungs-Teilbereich Vertiefungen in der Oberfläche und/oder Erhebungen auf der Oberfläche des Leichtbaukerns (130) umfasst, welche eine Tiefe respektive eine Höhe zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, aufweisen.
  5. Strukturbauteil (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Vertiefungen respektive benachbarten Erhebungen im ersten Verbindungs-Teilbereich kleiner als 4 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 1 mm, ist.
  6. Strukturbauteil (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen und/oder die Erhebungen zumindest teilweise Hinterschnitte umfassen.
  7. Strukturbauteil (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbaukern (130) im Bereich der Hinterschnitte elastisch ausgebildet ist.
  8. Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungs-Teilbereich eine rein kraftschlüssige Verbindung zwischen der Hülle (120) und dem Leichtbaukern (130) umfasst.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (100) nach Anspruch 1, wobei der Leichtbaukern (130) unter Verwendung eines Formwerkzeugs (110) hergestellt wird, in welchem eine der ersten Textur (131.1 - 131.4) und der zweiten Textur (132) entsprechende Negativ-Textur ausgebildet ist, womit die erste Textur (131.1 - 131.4) im ersten Verbindungs-Teilbereich und die zweite Textur (132) im zweiten Verbindungs-Teilbereich im Leichtbaukern (130) ausgebildet werden können, wobei das Formwerkzeug (110) mit einem sich zum Formteil bildenden Stoff aus erstem Material geflutet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbaukern (130) vor einer vollständigen Aushärtung aus dem Formwerkzeug (110) entfernt wird.
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