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Die Erfindung betrifft ein Formteil mit einer Aluminiumschaumkomponente sowie mehrere Verfahren zur Herstellung eines solchen Formteils.
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Formteile mit einer Aluminiumschaumkomponente haben viele Vorteile, wie bspw. ein geringes Gewicht, eine gute Wärme- und Schalldämmung, eine relativ hohe Steifigkeit und ein relativ gutes Lastaufnahmevermögen (insbesondere in Bezug auf das Eigengewicht) sowie auch ein hohes Crashenergieaufnahmevermögen.
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Die
DE 199 04 030 C1 beschreibt ein energieabsorbierendes Element, welches plastisch unter Energieaufnahme verformbar ist. Das Element besitzt einen länglichen Grundkörper aus einem metallischen Schaum, insbesondere ein Aluminiumschaum, und einen Mantel aus faserverstärktem Kunststoff. Der Einsatz dieses energieabsorbierenden Elements bietet sich beim Bau von Kraftfahrzeugzellen an.
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Die
DE 10 2012 023 876 A1 beschreibt ein Verbundbauteil für ein Kraftfahrzeug. Das Verbundbauteil umfasst eine Grundplatte aus einem Metallschaum sowie eine auf einer ersten Seite der Grundplatte angebrachte erste Deckschicht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Der Metallschaum kann ein Aluminiumschaum sein.
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Ferner wird noch hingewiesen auf die
DE 10 2015 101 096 A1 , die eine Batterietragstruktur für eine Unterbodenbatterie an einem Fahrzeug beschreibt.
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Die Batterietragstruktur kann eine deformierbare Bodenplatte aufweisen. Die Bodenplatte kann einen Schaumkern aus einem Aluminiummaterial aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formteil mit einer Aluminiumschaumkomponente anzugeben, das leicht und dennoch sehr belastbar sowie einfach herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Formteil, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Crashbauteil für eine Fahrzeugbatterie. Mit den nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung ferner auf besonders bevorzugte Herstellverfahren für ein erfindungsgemäßes Formteil. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Formteil ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschaumkomponente in eine Kunststoffkomponente (Kunststoffmatrix) eingebettet ist.
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Unter „eingebettet“ wird insbesondere verstanden, dass die Aluminiumschaumkomponente wenigstens an zwei Seiten bzw. Flächen von der Kunststoffkomponente umgeben bzw. ummantelt ist. Bevorzugt ist die Aluminiumschaumkomponente vollständig in die Kunststoffkomponente eingebettet, d. h., Aluminiumschaumkomponente bildet einen Schaumkern, der überall von der Kunststoffkomponente umgeben bzw. ummantelt ist. Das erfindungsgemäße Formteil ist ein leichtes Verbund- bzw. Hybridbauteil aus Metall und Kunststoff, wobei sich insbesondere hinsichtlich einer Crashbelastbarkeit Synergieeffekte ergeben. Das erfindungsgemäße Formteil ist außerdem einfach herstellbar, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Bevorzugt ist die Kunststoffkomponente aus einem geschäumten Kunststoff, insbesondere aus einem geschäumten thermoplastischen Kunststoff (wobei auch ein geschäumter duroplastischer Kunststoff möglich ist), gebildet. Die aus einem geschäumten Kunststoff gebildete Kunststoffkomponente kann eine geschlossene Außenhaut aufweisen. Bevorzugt ist die Kunststoffkomponente aus einem sogenannten Integralschaum gebildet.
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Das erfindungsgemäße Formteil kann eine weitere Komponente aufweisen. Die weitere Komponente ist insbesondere ein Profilteil (z. B. ein U-Profil), ein Tiefzieh- bzw. Pressteil (z. B. ein Napf) oder dergleichen und kann aus Metall oder auch Kunststoff gefertigt sein. Dies ist insbesondere so zu verstehen, dass das Profil- oder Tiefziehteil einen Hohlraum aufweist, in dem die Aluminiumschaumkomponente angeordnet und der verbleibende Leerraum mit Kunststoff, insbesondere geschäumten Kunststoff, ausgefüllt ist, wobei der Kunststoff die Kunststoffkomponente bildet. Die weitere Komponente kann als Verstärkungs- und/oder Befestigungselement dienen. Bevorzugt bildet die weitere Komponente eine Außenschale.
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Das erfindungsgemäße Formteil ist insbesondere ein dimensionsstabiles räumliches Bauteil. Das erfindungsgemäße Formteil ist insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil. Ein Kraftfahrzeugbauteil ist aufgrund seiner Konstruktion, Beschaffenheit und Anschlussmaße nur für den Verbau in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich um ein Schallschutzbauteil, ein Wärmschutzbauteil und/oder ein Crashbauteil. Ein Crashbauteil kann im Falle eines Unfalls (Crash) andere Fahrzeugbauteile und/oder die Passagiere schützen, indem dieses eine Barriere bildet und/oder durch Verformung Crashenergie abbaut. Das erfindungsgemäße Formteil kann bspw. ein Türinnenteil, ein Stirnwandteil, ein Schweller- oder Säuleneinleger sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Formteil handelt es sich insbesondere um ein Crashbauteil für eine Fahrzeugbatterie, womit insbesondere eine sogenannte Fahr- bzw. Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug gemeint ist. Ein solches Crashbauteil ist insbesondere ein Unterschutz (auch als Unterfahrschutz bezeichnet) für eine Unterbodenbatterie (auch als Unterflurbatterie bezeichnet). Die Aluminiumschaumkomponente bewirkt im Crashfall eine sehr gute Lastverteilung, insbesondere auch bei dynamischer Punktlast, und kann zudem Crashenergie abbauen. Die Kunststoffkomponente begünstigt die Lastverteilung, insbesondere auch bei dynamischer Punktlast, und kann zudem als Korrosionsschutz und, besonders wenn diese geschäumt ausgebildet ist, auch als Steinschlagschutz fungieren. Eine geschlossene Außenhaut kann ferner als Abrasionsschutz fungieren.
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Ein erstes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formteils umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen der Aluminiumschaumkomponente;
- - Einlegen der Aluminiumschaumkomponente in ein Spritzgießwerkzeug bzw. dessen Kavität und Umspritzen mit Kunststoff, wodurch die Kunststoffkomponente (durch Anformen an die Aluminiumschaumkomponente) gebildet wird.
Durch Beifügen eines Treibmittels kann der Kunststoff aufgeschäumt werden, wobei auch eine geschlossene Außenhaut erzeugt werden kann.
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Ein zweites Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formteils umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen der Aluminiumschaumkomponente;
- - Aufbringen eines Kunststoffs auf die Aluminiumschaumkomponente mithilfe wenigstens einer Flächendüse (Flächenextrusion), wodurch die Kunststoffkomponente (durch Anformen an die Aluminiumschaumkomponente) gebildet wird.
Auch hierbei kann durch Beifügen eines Treibmittels der Kunststoff aufgeschäumt werden.
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Ein drittes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formteils umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen der Aluminiumschaumkomponente;
- - Einlegen der Aluminiumschaumkomponente in ein Formwerkzeug (Presswerkzeug) bzw. dessen Kavität und Umpressen mit Kunststoff, wodurch die Kunststoffkomponente (durch Anformen an die Aluminiumschaumkomponente) gebildet wird.
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Auch hierbei kann durch Beifügen eines Treibmittels der Kunststoff aufgeschäumt werden, wobei auch eine geschlossene Außenhaut erzeugt werden kann.
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Ein viertes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formteils umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen der Aluminiumschaumkomponente;
- - Einlegen der Aluminiumschaumkomponente in ein Formwerkzeug bzw. dessen Kavität zusammen mit Schaumperlen, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, und Expandieren der Schaumperlen (Partikelschaum-Verfahren), wodurch die geschäumte Kunststoffkomponente (durch Anformen an die Aluminiumschaumkomponente) gebildet wird.
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Die Aluminiumschaumkomponente ist aus einem geschäumten Aluminiumwerkstoff gebildet und kann sowohl offenporig als auch geschlossenporig sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Aluminiumschaumkomponente aus einem plattenartigen Halbzeug angefertigt wird, indem bspw. durch Messerschneiden, Wasserstrahlschneiden, Laserstrahlschneider oder dergleichen ein Flächenstück mit gewünschter Umrisskontur vom Halbzeug abgetrennt wird. Die Aluminiumschaumkomponente kann ebene (Außen)Flächen aufweisen. Wenigstens eine Fläche kann auch nicht eben ausgebildet sein und kann bspw. eine Wölbung oder Strukturierung (z. B. eine Wellenform oder schachbrettartige Vertiefungen und Erhebungen) aufweisen. Die Aluminiumschaumkomponente kann zur Herbeiführung einer gewünschten Strukturierung bzw. Oberflächenstruktur durch Strukturwalzen bearbeitet werden.
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Durch die poröse Oberfläche der Aluminiumschaumkomponente ergibt sich eine mechanische Verhakung mit der Kunststoffkomponente, sodass der Verbund zwischen der Aluminiumschaumkomponente und der Kunststoffkomponente auch ohne Klebstoff und Haftvermittler äußerst belastbar und dauerhaft stabil ist. Gleichwohl können zusätzlich Klebstoffe und/oder Haftvermittler verwendet werden.
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Die Kunststoffkomponente ist/wird bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, wie z. B. Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder Polyethylen (PE). Die Kunststoffkomponente kann auch aus einem duroplastischen Kunststoff, z. B. Polyurethan (PUR), gebildet sein/werden. Der verwendete Kunststoff kann faserverstärkt sein, insbesondere mit Kurzfasern.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung beispielhaft anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Fahrzeugbatterie (Unterbodenbatterie) mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Unterschutz (Unterfahrschutz).
- 2 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit des Unterschutzes.
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Bei der gezeigten Fahrzeugbatterie 100 handelt es sich um eine sogenannte Unterbodenbatterie (Unterflurbatterie), die im oder am Karosserieboden eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Die Fahrzeugbatterie 100 weist ein gekühltes Batteriegehäuse 110 auf (die Kühlung befindet sich typischerweise im Boden des Batteriegehäuses), in dem die einzelnen Batteriemodule 120 angeordnet sind. Die Fahrzeugbatterie 100 ist unterseitig durch einen sogenannten Unterschutz 200 geschützt, der nur wenige Millimeter dick bzw. hoch ist (z. B. 30 mm bis 40 mm) und der bei gefordertem geringen Gewicht eine hohe Schutzwirkung haben soll. Der Unterschutz 200 ist bspw. am Batteriegehäuse 110 festgeschraubt.
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Der Unterschutz 200 weist erfindungsgemäß eine einstückige Aluminiumschaumkomponente 210 auf, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig in eine einstückige Kunststoffkomponente 220 eingebettet ist. Die Kunststoffkomponente 220 kann ebenfalls geschäumt sein und kann ferner eine geschlossene Außenhaut 230 aufweisen, wie oben beschrieben. Aufgrund eines Synergieeffekts zwischen der Aluminiumschaumkomponente 210 und der Kunststoffkomponente 220 bietet der Unterschutz 200 trotz seines geringen Gewichts und der niedrigen Bauhöhe einen guten Schutz für die Fahrzeugbatterie 100, insbesondere für die Kühlung im Boden des Batteriegehäuses 110, und verhindert Beschädigungen.
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Der Unterschutz 200 wirkt bei einem Crash (hierzu zählen auch das Aufsetzen auf einem Hindernis und das stoßartige Eindrücken eines Fremdkörpers) als Barriere, wobei die Aluminiumschaumkomponente 210 eine sehr gute Lastverteilung bewirkt und zudem durch Kompression der Schaumstruktur Crashenergie abbauen kann. Durch die Wärme- und Schalldämmungswirkung des Unterschutzes 200 werden ferner die Geräuschausbreitung in den Fahrzeuginnenraum erschwert und das Wärmemanagement der Fahrzeugbatterie 100 vereinfacht (insbesondere im Winter, da die Batteriemodule 120 nicht so stark auskühlen).
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2 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit des Unterschutzes 200, bei der die Aluminiumschaumkomponente 210 wenigstens eine strukturierte Fläche aufweist. Dadurch können die Verformungseigenschaften der Aluminiumschaumkomponente 210 verändert und die Crasheigenschaften des Unterschutzes 200 gezielt beeinflusst bzw. eingestellt werden. Ferner ergibt sich eine bessere Verbindung zwischen der Aluminiumschaumkomponente 210 und der Kunststoffkomponente 220.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19904030 C1 [0003]
- DE 102012023876 A1 [0004]
- DE 102015101096 A1 [0005]
