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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Flächige Bauteile lassen sich leicht biegen wenn sie eben sind. Hier kann die Biegerichtung frei gewählt werden. Bei einfach gekrümmten Flächen ist die Biegerichtung durch die bestehende Krümmung vorgegeben. Bei doppelt gekrümmten Flächen ist eine Biegung ebenfalls möglich, allerdings ist dies mit einem erhöhten Kraftaufwand verbunden.
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Verformungen führen zu Spannungen in einem Bauteil. Diese können Biegespannungen sein oder zusätzliche Membranspannungen. Im Falle einer reinen Biegebelastung ist der Energieeintrag in ein System bei vergleichbarer Verformungsamplitude niedriger als bei einer Kombination aus Biege- und Membranbelastung. Eine gezielte Wandstärkenreduktion entlang einer Linie ist bei Kunststoffteilen üblich und wird Filmscharnier genannt. In diesem Fall tritt eine Biegespannung ausschließlich in dem Bereich auf, wo die Wandstärke reduziert ist. Aufgrund hoher Materialdehnung muss die Restwandstärke des Filmscharniers sehr gering sein. Ohne lokale Wandstärkenreduktion kommt es großflächig zu einer Biegespannung mit einer entsprechend geringen Materialdehnung.
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Grundsätzlich gilt, je mehr Kraft aufgewendet werden muss, um ein Bauteil zu verformen, desto mehr Energie muss das Bauteil aufnehmen. Hierbei ist im Sinne einer zyklischen Belastung zu beachten, dass die aufgenommene Energie rein elastischer Art sein sollte. Sollte eine Verformung mittels eines Aktors erzeugt werden, ist es anstrebenswert, die für die Verformung notwendige Kraft zu minimieren. So können Kosten und Gewicht gespart werden. Gleichermaßen wird die Langlebigkeit des zu verformenden Bauteils verbessert.
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Im industriellen Standard findet man Strukturbauteile, welche:
- - durch eine geradlinige Wandstärkenreduzierung eine definierte Verformung zulassen;
- - mit einem definierten Bereich, welche maximal eine einfache Krümmung aufweisen und ohne eine lokale Wandstärkenreduzierung eine definierte Verformung zulassen;
- - durch Faltenbereiche aussteifen, z. B. Faltmechanismen bei Papier.
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Zum allgemeinen technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2018 103 730 U1 hingewiesen. Aus dieser Gebrauchsmusterschrift ist eine Dose mit einem Schnappverschluss bekannt. Es wird ein Verschlusssystem mit einer dreidimensionalen Struktur vorgeschlagen, die eine zu verschließende Öffnung aufweist und einer Abdeckung zum Aufstecken auf die dreidimensionale Struktur, um die Öffnung zu verschließen, wobei die Abdeckung folgendes aufweist:
- - eine Stirnwand, die in bistabiler Weise zwischen einem ersten in Aufsteckrichtung gewölbten Zustand und einem zweiten entgegen der Aufsteckrichtung gewölbten Zustand verformbar ist, und
- - einen ringförmigen Randabschnitt, der in dem ersten bistabilen Zustand einen größeren Außenumfang aufweist als in dem zweiten bistabilen Zustand und daher dazu ausgelegt ist, eine klemmende Befestigung der Abdeckung an einem Wandbereich der Öffnung zu bewirken, indem der Randabschnitt in dem ersten Zustand innen oder in dem zweiten Zustand außen gegen den Wandbereich drückt,
- - wobei die dreidimensionale Struktur dazu konfiguriert ist, eine an vordefinierten Stellen von außen auf das Verschlusssystem ausgeübte Kraft so weiterzuleiten, dass sie zu einem Umschnappen der Abdeckung von dem einen in den anderen der beiden bistabilen Zustände führt.
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Eine weitere definierte Deformation eines Bauteils ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 001 690 A1 bekannt. Beschrieben wird in dieser Offenlegungsschrift eine Innenverkleidung für ein Fahrzeug mit erhöhter Crash-Sicherheit, mit einem deformierbaren Innenverkleidungselement, das an einem Aufnahmeelement angeordnet ist. Wenigstens unter dem Innenverkleidungselement ist ein Hohlraum gebildet, wobei das Innenverkleidungselement derart ausgebildet ist, dass dieses bei einem Aufprall eines Prallkörpers zumindest teilweise in den Hohlraum hinein deformiert. Dazu ist vorgesehen, dass in der Struktur des Innenverkleidungselementes, in wenigstens einem Bereich eine Materialausnehmung vorgesehen ist, durch die das Deformationsverhalten des Innenverkleidungselementes derart beeinflusst ist, dass bei einer Krafteinwirkung aus einer Wirkrichtung auf das Innenverkleidungselement zumindest ein Bereich des Innenverkleidungselementes seitlich zur Wirkrichtung der Kraft ausweicht.
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Weiter ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 455 169 A1 unter anderem ein Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Materials in ein dreidimensionales Objekt bekannt. Hierbei wird das plattenförmige Material auf einer Matrize durch Ausüben von Druck auf einer der Matrize abgewandten Seite des Materials umgeformt. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im plattenförmigen Material in dessen umzuformenden Bereichen vor der Umformung auf der der Matrize abgewandten Seite eine Verminderung der Materialstärke vorgenommen wird. Auch wird ein Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Materials in ein dreidimensionales Objekt vorgeschlagen. Das plattenförmige Material wird entlang einer oder mehrerer Knicklinien geknickt, wobei im plattenförmigen Material in dessen umzuformenden Bereichen vor der Umformung eine linienförmige Verminderung der Materialstärke vorgenommen wird und anschließend das Material entlang dieser linienförmigen Materialstärkeverminderung manuell abgeknickt wird.
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Bis auf wenige Einzelfälle mit sehr einfachen Mechanismen gibt es derzeit keine industriellen Anwendungen für Flächen mit komplexen geometrischen Formen mit definierten Bereichen (Filmscharniere), in denen die Wandstärke reduziert wird, um mittels eines Mechanismus (Aktivierung unterschiedlicher Filmscharniere in einer bestimmten Reihenfolge) eine Verformung mit geringem Widerstand zuzulassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strukturbauteil aus einem Kunststoff aufzuzeigen, welches sich mit sehr geringer, aufzubringender Kraft deformieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Strukturbauteile, die Bereiche mit unterschiedlicher Wandstärke aufweisen und die aufgrund lokaler Wandstärkenreduzierungen definierte Verformungsmöglichkeiten besitzen. Insbesondere stellen die wandstärkenreduzierten Bereiche keine geradlinigen Segmente dar, sondern eine Freiformgeometrie, welche an die Oberflächengeometrie ideal angepasst ist. Die Anwendungen sind vielseitig und können Produkte weit über den Automobilsektor hinaus betreffen.
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Im Rahmen der Entwicklung, beispielsweise von Stoßfängerverkleidungen, gibt es Bestrebungen, Öffnungen je nach Betriebszustand bereit zu stellen. Ohne eine sichtbare Klappe, welche als zusätzliches Bauteil an einem Scharnier bewegt wird, gibt es die Möglichkeit in einem Verkleidungsbauteil eine Fuge darzustellen und mittels Aktor das Bauteil so zu verformen, dass sich aus der Fuge eine Öffnung, beispielsweise ein Lufteinlass, bildet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Flächen entsprechend Designwünschen darzustellen, welche Verformungen mit geringen Aktorkräften zulassen und welche im verformten Zustand keine plastischen Dehnungen aufweisen.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2, dass der innere Bereich von einem Aktor reversibel verschwenkbar ist, bietet sich für die vorliegende Erfindung besonders positiv an, da der Aktor nur geringe Kräfte aufbringen muss, was Gewicht und Kosten spart.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3, dass die reduzierte Materialstärke zwischen 10 % und 90 %, insbesondere zwischen 10 % und 60 % der vollen Materialstärke des Strukturbauteils beträgt, ist ein besonders bevorzugter Materialstärkenbereich.
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Dass der innere Bereich von dem Aktor gemäß Patentanspruch 4 zwischen 0° und 100° gegenüber dem lagefesten Strukturbauteil verschwenkbar ist, ermöglicht das Öffnen und Schließen einer praktisch nicht sichtbaren Klappe.
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Besonders bevorzugt ist das Strukturbauteil gemäß Patentanspruch 5 ein Spritzgussteil oder ein tiefgezogenes Bauteil, wobei gemäß Patentanspruch 6 bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff zum Einsatz kommt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), etc. handeln.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7, dass der Aktor ein elektromechanischer oder hydraulischer oder pneumatischer Aktor ist, sind drei bevorzugte Ausführungsbeispiele, bei denen der Aktor keine große Kraft aufbringen muss.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8, dass das Strukturbauteil zumindest ein Abschnitt einer Stoßfängerverkleidung des Kraftfahrzeuges ist, ist neben vielen weiteren Ausführungsbeispielen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 9, dass der innere Bereich ein Lufteinlass ist, ist ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsvariante, mit der beispielsweise Kühlmaßnahmen durchgeführt werden können.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 10, dass die volle Materialstärke des Strukturbauteils zwischen 1 mm und 6 mm beträgt, hat sich in Testreihen als besonders positiv herausgestellt.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von acht Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem geschlossenen inneren Bereich.
- 2 zeigt eine Aufsicht auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einem geöffneten inneren Bereich.
- 3 zeigt einen Schnitt durch einen Vorderwagen eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil.
- 4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
- 4b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.
- 4c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel.
- 5a zeigt ein Strukturbauteil gemäß dem Stand der Technik.
- 5b zeigt das Strukturbauteil gemäß der Erfindung.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 5b für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt eine Aufsicht auf ein Kraftfahrzeug 2. Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Strukturbauteil 1 auf, welches in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Stoßfängerverkleidung des Kraftfahrzeuges 2 darstellt. Das Strukturbauteil 1 weist eine Trennfuge 3 auf, die das Strukturbauteil in einen inneren Bereich 4 und einen äußeren Bereich 5 aufteilt. In 1 ist der innere Bereich geschlossen, dies bedeutet, dass das Strukturbauteil 1 als ein einziges Strukturbauteil 1 auf einen Betrachter wirkt.
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Das Strukturbauteil 1 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff wie eingangs dargestellt, in diesem Ausführungsbeispiel für eine Außenhaut einer Karosserie des Kraftfahrzeuges 2. Der innere Bereich 4 und der angrenzende äußere Bereich 5 weisen für eine definierte Verschwenkbarkeit des inneren Bereichs 4 mit einem reduzierten Kraftaufwand dreidimensionale Bereiche mit einer reduzierten Materialstärke 6 auf. Drei Beispiele hierfür sind in den 4a, 4b und 4c dargestellt.
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2 zeigt nochmals das Kraftfahrzeug 2 aus 1, jedoch ist in diesem Fall der innere Bereich 4 verschwenkt, sodass hierdurch ein Lufteinlass in der Stoßfängerverkleidung dargestellt ist.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Vorderwagen des Kraftfahrzeuges 2, mit dem Strukturbauteil 1. Der einklappbare innere Bereich 4 ist abschnittsweise mit einer dünneren Wandstärke, der reduzierten Materialstärke 6, dargestellt als der Rest des Strukturbauteils 1. Ein Pfeil, der von 3 zu 2 verweist, zeigt einen Angriffspunkt 8 für einen Aktor 7. Der Aktor 7 ist im Bereich eines elektrisch betätigbaren Motors 9 beispielsweise schwenkbar gelagert. Wird der Motor 9 elektrisch angesteuert, zieht der Aktor 7 den inneren Bereich 4 des Strukturbauteils 1 nach innen, oben weg. Die verschwenkte Situation, wie sie auch in 2 dargestellt ist, ist in 3 gestrichelt dargestellt. Deutlich erkennbar ist, wie der Aktor 7 von einer Schrägstellung in eine Senkrechtstellung verstellt wird und hierbei über den Aktorangriffspunkt 8 den inneren Bereich 4 des Strukturbauteils 1 nach innen, oben wegklappt, bzw. öffnet.
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Erfindungsgemäß weist das Strukturbauteil 1 die Trennfuge 3 auf, die das Strukturbauteil 1 in den inneren Bereich 4 und den äußeren Bereich 5 trennt, wobei der innere Bereich 4 für eine definierte Verschwenkbarkeit mit einem reduzierten Kraftaufwand dreidimensionale Bereiche mit einer reduzierten Materialstärke 6 aufweist. Die Bereiche der reduzierten Materialstärke 6 sind in den 4a bis 4c dargestellt.
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Bevorzugt weist die reduzierte Materialstärke 6 zwischen 10 % und 90 %, insbesondere zwischen 10 % und 60 % der vollen, bzw. maximalen Materialstärke des Strukturbauteils 1 auf. Weiter ist der innere Bereich 4 von dem Aktor 7 zwischen 0° und 100° gegenüber dem lagefesten Strukturbauteil 1 verschwenkbar.
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Bevorzugt ist das Strukturbauteil 1 ein Spritzgussteil oder ein tiefgezogenes Bauteil, wobei es bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt ist.
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Weiter ist der Aktor 7 vorzugsweise ein elektromechanischer oder hydraulischer oder pneumatischer Aktor, wobei für einen elektromechanischen Aktor beispielsweise ein Spindelantrieb vorgesehen werden kann.
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Besonders bevorzugt ist das Strukturbauteil 1 zumindest ein Abschnitt einer Stoßfängerverkleidung des Kraftfahrzeuges 2, so wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt. Darüber hinaus ist der innere Bereich 4 bevorzugt ein Lufteinlass, wie er beispielsweise für eine Temperatursteuerung eines hinter dem Strukturbauteil 1 angeordneten Aggregates benötigt werden könnte.
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Das Strukturbauteil 1 weist bevorzugt eine volle Materialstärke zwischen 1 mm und 6 mm auf, da hiermit die besten Resultate in praktischen Versuchen in Bezug auf das Deformationsverhalten erzielt worden sind.
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In den 4a bis 4c ist jeweils ein innerer Bereich 4 des Strukturbauteils 1 dargestellt, wobei der unten liegende Rand aus den 1 bis 3 in den 4a bis 4c oben (um 180° verdreht) dargestellt ist. Die Bereiche der reduzierten Materialstärke 6 sind in den 4a bis 4c jeweils eingezeichnet.
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Hierbei gilt in 4a M = 95, dass die reduzierte Materialstärke 6 95 % der maximalen Wandstärke entspricht. In 4a ist erkennbar, dass der Aktor 7 bei einer Materialreduzierung von 5 % eine Kraft von 28 N aufbringen muss, um den inneren Bereich 4 des Strukturbauteils 1 zu verschwenken.
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4b zeigt nochmals den gleichen inneren Bereich 4 wie 4a, jedoch beträgt die reduzierte Materialstärke 6 90 % der maximalen Wandstärke. Hieraus resultiert eine von dem Aktor 7 aufzubringende, resultierende Kraft von 24 N, d. h. weniger als in 4a.
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4c zeigt nochmals den gleichen inneren Bereich 4 wie 4a und 4b, jedoch beträgt die reduzierte Materialstärke 6 nun 85 % der maximalen Wandstärke.
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Hieraus resultiert eine von dem Aktor 7 aufzubringende, resultierende Kraft von 19 N, d. h. deutlich weniger als in 4a.
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5a zeigt eine Aufsicht auf das Strukturbauteil 1. Der innere Bereich des Strukturbauteils 1 ist wiederum mit 4 beziffert und der äußere Bereich mit 5. Die Trennfuge ist abermals mit 3 beziffert. Der Aktorangriffspunkt 8 zeigt wieder den Angriffspunkt des Aktors 7. Über Kreise verteilt ist die resultierende Kraft im Strukturbauteil 1 dargestellt. In 5a weist das gesamte Strukturbauteil 1 die maximale Materialstärke auf, woraus eine vom Aktor 7 aufzubringende Kraft von 364 N resultiert, um den inneren Bereich 4 hochzuziehen bzw. zu verschwenken.
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5b zeigt nochmals das Strukturbauteil 1 aus 5a, jedoch mit der erfindungsgemäßen reduzierten Materialstärke 6. Deutlich erkennbar ist, dass der Aktor 7 nun mit einer wesentlich verringerten Kraft von 19 N in der Lage ist, den inneren Bereich 4 hochzuziehen bzw. zu verschwenken.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit viele Strukturbauteile 1, welche Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken aufweisen und die aufgrund lokaler Wandstärkenänderungen, definierte Verformungsmöglichkeiten besitzen. Insbesondere stellen die wandstärkereduzierten Bereiche keine geradlinigen Elemente dar, sondern eine Freiformgeometrie, welche an die Oberflächengeometrie angepasst ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Strukturbauteil
- 2.
- Kraftfahrzeug
- 3.
- Trennfuge
- 4.
- innerer Bereich
- 5.
- äußerer Bereich
- 6.
- reduzierte Materialstärke
- 7.
- Aktor
- 8.
- Aktorangriffspunkt
- 9.
- Motor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202018103730 U1 [0006]
- DE 102011001690 A1 [0007]
- EP 2455169 A1 [0008]
