DE102020206028A1

DE102020206028A1 - Verfahren zur Herstellung eines Trägers und Träger

Info

Publication number: DE102020206028A1
Application number: DE102020206028.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baranowski; Maik Broda; Markus FRANZEN; Pascal Rebmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18
Also published as: US20210354347A1; CN113665682A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers (26) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Armaturentafeltägers, umfassend folgende Verfahrensschritte: Herstellen eines Kerns (12) aus einem Schaumwerkstoff (16) und zumindest teilweises Umgeben des Kerns (12) mit einer unidirektionalen Schicht (18) zur Bildung eines verstärkten Kerns (20).Die Erfindung betrifft ferner einen Träger (26) für ein Kraftfahrzeug mit einem Kern (12) aus einem Schaumwerkstoff (16), wobei der Kern (12) zumindest teilweise mit einer unidirektionalen Schicht (18) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner auch einen Träger für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9. Bei dem Träger handelt es sich insbesondere um einen Armaturentafelträger, welcher in dem Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist und beispielweise zur Anbindung eines Lenkrades dient.
In der Praxis sind verschiedene Arten von Trägern und insbesondere Armaturentafelträger, für Kraftfahrzeuge bekannt. Dabei sind die Träger üblicherweise vollständig aus Metall hergestellt oder als Metall-Kunststoff Hybridbauteile ausgebildet.
Aus WO 2013/085723 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffartikels aus unidirektionalem faserverstärktem Band (UD-Band) bekannt. Ein in sich geschlossener Vorformling des Artikels wird durch Aufwickeln mehrerer Lagen UD-Band hergestellt. Die Lagen werden während des Wickelvorgangs aneinander befestigt. In einem Folgeschritt werden die gestapelten Bandlagen erwärmt und mit Druck in einer Pressform aufgebracht, um die Lagen miteinander fest zu verbinden. Abschließend kann der Vorformling umspritzt werden.
Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers sowie einen Träger zur Verfügung zu stellen, mittels welchen zugleich eine hohe mechanische Steifigkeit des Trägers erzielt werden kann und andererseits eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Vorteile und praktische Ausführungsformen sind in Zusammenhang mit den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Trägers, insbesondere eines Armaturentafelträgers, für ein Kraftfahrzeug umfasst folgende Verfahrensschritte:

- Herstellen eines Kerns aus einem Schaumwerkstoff,
- zumindest teilweises Umgeben des Kerns mit einer unidirektionalen Schicht zur Bildung eines verstärkten Kerns.

Die Herstellung des Kerns aus einem Schaumwerkstoff stellt dabei eine kostengünstige Lösung dar, um zunächst eine Art „Basiselement“ für den Träger zu schaffen. Zudem ist ein Kern aus einem Schaumwerkstoff im Vergleich zu Kernen bzw. Trägern aus Metall besonders leicht. Die Eigenschaften des Schaumwerkstoffes können über einen weiten Bereich verändert werden, so dass der Kern aus dem Schaumwerkstoff für verschiedene Anwendungen optimiert werden kann und dann zum Beispiel für verschiedene Fahrzeugtypen mit nur gering voneinander abweichenden Anforderungen schnell und kostengünstig angepasst werden kann. Zudem bietet der Kern aus Schaumwerkstoff die Möglichkeit darin Hohlräume oder Leitungen zu integrieren.
Der Kern selbst weist zwar bereits eine gewisse Steifigkeit aus, jedoch ist diese nicht ausreichend, um den Anforderungen an einen Träger und insbesondere einen Armaturentafelträger zu genügen. Zur Verbesserung der Steifigkeit wird der Kern zumindest teilweise mit einer unidirektionalen Schicht (UD-Schicht) umgeben. Bei der unidirektionalen Schicht handelt es sich dabei um eine Schicht, welche Fasern aufweist, die sämtlich parallel zueinander und in eine Richtung orientiert sind. Solche Schichten weisen eine besonders hohe Steifigkeit in Richtung der Fasern auf. Entsprechend kann eine UD-Schicht in solchen ausgewählten Bereichen des Kerns angeordnet werden, in welchen eine Erhöhung der Steifigkeit erforderlich ist. Daher kann der Materialeinsatz der UD-Schicht gering gehalten werden, was entsprechend auch geringere Herstellungskosten ermöglicht.
In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei der unidirektionalen Schicht um ein Band. Als Band wird hierbei ein dünner, länglicher Streifen bezeichnet. Ein solches UD-Band wird üblicherweise auch als UD-Tape bezeichnet. Das Band weist insbesondere unidirektional orientierte Fasern auf, welche in eine Matrix aus einem Polymer eingebettet sind. Ein Band bietet den Vorteil, dass dieses leicht zu konfektionieren ist und ebenfalls leicht auf den Kern aufzubringen ist, insbesondere wenn das Band von einer Rolle abgewickelt werden kann. Zudem können solche Bänder leicht umspritzt werden.
Vor allem kann ein Band in einfacher Weise an dem Kern angeordnet werden. Insbesondere kann das Band auf den Kern gelegt werden. Dabei kann das Band in einer oder mehreren Schichten aufeinander auf den Kern gelegt werden. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann das Band um den Kern gewickelt werden. Insbesondere können die einzelnen Lagen des Bandes beim Aufwickeln mit leichtem Überlapp aufeinander gelegt werden. Das Aufbringen des Bandes erfolgt insbesondere automatisiert mittels automated tape placing (ATP), welches eine effiziente Möglichkeit bietet, den Kern mit einem UD-Band zu verstärken. Es sei nochmal betont, dass der Kern auch nur partiell mit dem UD-Band versehen sein kann, nämlich in den Bereichen, in welchen eine Verstärkung des Kerns erforderlich ist.
Zur besseren Haftung der unidirektionalen Schicht auf dem Kern kann diese auf den Kern geklebt werden. Wenn die UD-Schicht als Band vorliegt, kann dies besonders vorteilhaft selbstklebend sein. Alternativ kann ein Klebstoff auf den Kern und/oder die Schicht bzw. das Band aufgebracht werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Schaumwerkstoff für den Kern um ein Polymethacrylimid (PMI). Dieses Material weist bereits eine ausreichend hohe Druckfestigkeit auf. Dabei können Schäume mit einer Druckfestigkeit im Bereich von 0,8 MPa bis hin zu 15,8 MPa hergestellt werden. Vorzugsweise wird hier ein PMI-Schaumwerkstoff verwendet, welcher eine Druckfestigkeit von 3,5 MPa bis 5 MPa aufweist. Die Dichte des Schaumes kann im Bereich von 32 kg/m³ bis 110 kg/m³ liegen.
Die Herstellung des Kerns erfolgt insbesondere mittels Spritzgießen. Als besonders vorteilhaft wird hierbei erachtet, wenn der Kern aus dem zuvor beschriebenen Material PMI mittels Spritzgießen hergestellt wird. Spritzgießen stellt dabei ein vergleichsweise einfaches und kostengünstiges Verfahren dar. Es können spanende und nachträgliche Bearbeitungsschritte weitestgehend oder sogar vollständig entfallen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach der Herstellung des verstärkten Kerns Zusatzelemente an diesem angeordnet. Bei den Zusatzelementen handelt es sich insbesondere um Befestigungsstrukturen, wie Klammern oder Clips oder Inserts, die wiederrum dazu dienen weitere Funktionselemente, wie ein Lenkrad, einen Airbag etc. an den Träger anzubinden.
Insbesondere erfolgt die Befestigung der Zusatzelemente mittels Umspritzen. Vorzugsweise mittels eines thermoplastischen Kunststoffs. Insbesondere werden diese Funktionselemente in eine Spritzform ganz oder teilweise eingelegt und anschließend wie vorstehend beschrieben umspritzt und so an dem verstärkten Kern befestigt. Auch hier stellt das Umspritzen mit Kunststoff einen vergleichsweise einfachen und gut anpassbaren Schritt dar.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Träger für ein Kraftfahrzeug, wobei der Träger einen Kern aus einem Schaumwerkstoff aufweist und wobei der Kern zumindest teilweise mit einer unidirektionalen Schicht versehen ist. Weitere Zusatzelemente können an dem Träger angeordnet sein und mit thermoplastischem Kunststoff befestigt sein.
Ein solcher Träger für ein Kraftfahrzeug ist besonders leicht und auch kostengünstig herstellbar, was vor allem durch den Kern aus Schaumwerkstoff erreicht wird. Die notwendige Verstärkung des Kerns, um die Bauteilanforderungen hinsichtlich der Steifigkeit und Festigkeit zu erfüllen, kann dann gezielt mittels der unidirektionalen Schicht bewirkt werden. Ein solcher Träger bietet einen hohen Designspielraum, da sowohl der Kern aus Schaumwerkstoff leicht modifizierbar ist als auch die Verstärkung mit der UD-Schicht variierbar ist.
Bei dem Träger handelt es sich insbesondere um einen Armaturentafelträger. Dieser dient als eine Querverstrebung im Fahrzeuginnenraum. Der Armaturentafelträger dient vorallem zur Anbindung eines Lenkrades, Airbags und der gesamten Fahrzeugarmaturen.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 einen Herstellungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
2 einen weiteren Herstellungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
3 einen weiteren Herstellungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
4 einen letzten Herstellungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung, und
5 einen erfindungsgemäßen Armaturentafelträger in einer perspektivischen Ansicht.

In den 1 bis 4 sind verschiedene Herstellungsschritte zur Herstellung eines Trägers 26, insbesondere eines Armaturentafelträgers dargestellt. Der Träger 26 ist in den vorliegenden Figuren nur schematisch dargestellt, um die einzelnen Verfahrensschritte zu verdeutlichen. In 5 ist ein konventionell gefertigter Träger 26 in Form eines Armaturentafelträgers gezeigt.
In 1 ist ein Spritzgießwerkzeug 10 zur Herstellung eines Kerns 12 (vgl. 2) mittels Spritzgießen gezeigt. Das Spritzgießwerkzeug weist einen Hohlraum 14 auf, welcher in einem nächsten, in 2 gezeigten Verfahrensschritt mit einem Schaumwerkstoff 16, hier PMI (in den Zeichnungen gepunktet dargestellt) gefüllt wird.
Nach dem Aushärten des Schaumwerkstoffes 16 wird der nunmehr entstandene Kern 12 aus dem Spritzgießwerkzeug 10 entfernt und gemäß dem in 3 gezeigten Verfahrensschritt mit einem UD-Band 18 umwickelt, so dass ein verstärkter Kern 20 entsteht. In 3 ist erkennbar, dass der Kern 12 erst etwa zur Hälfte mit dem UD-Band 18 umwickelt ist.
In 4 ist der fertige verstärkte Kern 20 gezeigt, der vollständig mit UD-Band 18 umwickelt ist. Dieser verstärkte Kern 20 wird in ein weiteres Spritzgießwerkzeug 22 eingelegt, wobei verschiedene Zusatzelemente 24 mit in das Spritzgießwerkzeug 22 eingebracht werden (vgl. 4). Zur Verbindung dieser Zusatzelemente 24 mit dem verstärkten Kern 20 werden diese mit thermoplastischem Kunststoff umspritzt.
In 5 ist ein konventionell gefertigter Träger 26 in Form eines Armaturentafelträgers dargestellt. Der Armaturentafelträger 26 wird in einem Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet und die verschiedenen Zusatzelemente 24 dienen zur Anbindung eines Lenkrades, eines Airbags und verschiedener Armaturen.
Bezugszeichenliste

10: Spritzgießwerkzeug
12: Kern
14: Hohlraum
16: Schaumwerkstoff
18: UD-Band
20: verstärkter Kern
22: Spritzgießwerkzeug
24: Zusatzelemente
26: Träger, Armaturentafelträger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/085723 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Trägers (26) für ein Kraftfahrzeug umfassend folgende Verfahrensschritte: - Herstellen eines Kerns (12) aus einem Schaumwerkstoff (16) und - zumindest teilweises Umgeben des Kerns (12) mit einer unidirektionalen Schicht (18) zur Bildung eines verstärkten Kerns (20).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der unidirektionalen Schicht um ein Band (18) handelt.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (18) um den Kern (12) gelegt und/oder gewickelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unidirektionale Schicht (18) auf den Kern (12) geklebt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaumwerkstoff (16) für den Kern (12) um ein Polymethacrylimid handelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des Kerns (12) mittels Spritzgießen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des verstärkten Kerns (20) Zusatzelemente (24) an diesem angeordnet werden.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Zusatzelemente (24) mittels Umspritzen erfolgt.
Träger für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch einen Kern (12) aus einem Schaumwerkstoff (16), wobei der Kern (12) zumindest teilweise mit einer unidirektionalen Schicht (18) versehen ist.
Träger nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Träger um einen Armaturentafelträger (26) handelt.