DE102023100715A1

DE102023100715A1 - Aufblas-basiertes verfahren zum steuern des formens von strukturschaumverstärkungen

Info

Publication number: DE102023100715A1
Application number: DE102023100715.7A
Authority: DE
Inventors: Nilesh D. Mankame; Ruoyu Sun; Girish Krishnan
Original assignee: University of Illinois; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: University of Illinois; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2023-01-13
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN117585071A; US20240051606A1

Abstract

Ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug umfasst ein Bauteil mit einer Innenfläche, die einen ersten hohlen Durchgang definiert, und eine Strukturverstärkung, die die Innenfläche des Bauteils berührt. Die strukturelle Verstärkung und das Bauteil definieren einen Querschnitt und die strukturelle Verstärkung füllt den Querschnitt teilweise aus. Ein Verfahren zum Formen des Bauteils umfasst das Einsetzen einer Blase in den ersten hohlen Durchgang, der durch die Innenfläche des Bauteils definiert ist, und das Aufblasen der Blase in dem ersten hohlen Durchgang, das Bilden eines Hohlraums zwischen der Blase und der Innenfläche, das Füllen des Hohlraums mit einem Polymerharz und das Aufschäumen des Polymerharzes. Ein System zum Bilden eines Strukturbauteils für ein Fahrzeug umfasst ein Bauteil mit einem ersten hohlen Durchgang, der durch eine Innenfläche des Bauteils definiert ist, eine Blase, die in den ersten hohlen Durchgang des Bauteils einführbar ist, und eine Versorgungsleitung, die mit einem Innenraum der Blase verbunden ist.

Description

Einleitung
Strukturschaum wird als Leichtbau-Lösung zur Verstärkung und Stärkung von Fahrzeugstrukturen verwendet. In verschiedenen Anwendungen wird Strukturschaum im Inneren von hohlen Bauteilen eingesetzt. Er kann zur Bewältigung von Aufprallenergiekräften sowie zur Reduzierung von Lärm, Vibrationen und Härten (NVH) verwendet werden. Darüber hinaus trägt der Einsatz von Schaumstoff zur Verringerung des Fahrzeuggewichts und damit zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz bei.
Strukturschaum wird an Ort und Stelle geschäumt und kann im Niederdruck-Spritzgussverfahren geformt werden. Beim Niederdruck-Spritzgießen wird der Schaum in einen Hohlraum im Bauteil eingeführt und steigt dort frei auf. Die Schwerkraft kann zur Begrenzung des Aufsteigens genutzt werden. Bei diesem Verfahren füllt der Schaum jedoch den gesamten Querschnitt des Hohlraums aus. Wenn begrenzte Abschnitte des Bauteils den Strukturschaum enthalten oder an verschiedenen Stellen unterschiedliche Materialien für den Strukturschaum verwendet werden, kann es außerdem erforderlich sein, jeden Abschnitt oder zumindest Abschnitte mit unterschiedlichen Materialien in einzelnen Schritten zu formen. Dies erfordert oft mehrere Formstationen und Formzyklen, um ein einziges Bauteil zu füllen.
Während die derzeitigen Verfahren zur Strukturschaumverstärkung ihren Zweck erfüllen, besteht daher ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zum Aufschäumen von Strukturschaumverstärkungen.
Beschreibung
Gemäß mehreren Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Fahrzeug. Das Verfahren umfasst das Einführen einer Blase in einen ersten hohlen Durchgang, der durch eine Innenfläche eines Bauteils definiert ist, und das Aufblasen der Blase in dem ersten hohlen Durchgang. Das Verfahren umfasst auch die Bildung eines Hohlraums zwischen der Blase und der Innenfläche und das Füllen des Hohlraums mit einem Polymerharz. Das Verfahren umfasst ferner das Aufschäumen des Polymerharzes, um einen Polymerharzschaum zu bilden. Außerdem wird die Luft aus der Blase abgelassen und die Blase aus dem ersten hohlen Durchgang entfernt.
Bei einigen der oben genannten Aspekte füllt der Polymerharzschaum den ersten Hohlraum teilweise aus.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren ferner die Positionierung der Blase im Hohlraum unter Verwendung eines mit der Blase verbundenen Führungsdrahtes.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren ferner die Bildung einer Dichtung zwischen der Blase und der Innenfläche, um den Hohlraum zu bilden.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren ferner die Bereitstellung einer Blase mit einem begrenzten Abschnitt, wobei sich der begrenzte Abschnitt beim Aufblasen weniger ausdehnt als ein Rest der Blase.
Bei einigen der obigen Aspekte umfasst das Verfahren ferner die Bereitstellung einer Blase mit einem ausdehnbaren Abschnitt, wobei sich der ausdehnbare Abschnitt beim Aufblasen stärker ausdehnt als der Rest der Blase.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren außerdem die Modulation eines Aufblasdrucks der Blase und die Modulation einer Form der Blase.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren außerdem die Vernetzung des Polymerharzes in der Kavität.
Bei einigen der obigen Aspekte umfasst die Blase eine Nase, und das Verfahren umfasst ferner das Anordnen der Blase innerhalb des ersten hohlen Durchgangs mit der Nase.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das Verfahren ferner die Entlüftung des Hohlraums durch eine von dem Bauteil definierte Entlüftung, während das Polymerharz aufgeschäumt wird.
Gemäß weiteren Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Fahrzeug. Das System umfasst ein Bauteil mit einem ersten hohlen Durchgang, der durch eine Innenfläche des Bauteils definiert ist. Das System umfasst ferner eine Blase, die in den ersten hohlen Durchgang des Bauteils einführbar ist, wobei die Blase aufblasbar ist und die Innenfläche des Bauteils berührt und im aufgeblasenen Zustand einen Hohlraum definiert. Das System umfasst ferner eine Versorgungsleitung, die mit einem Innenraum der Blase verbunden ist, wobei dem Innenraum der Blase durch die Versorgungsleitung ein Fluid zum Aufblasen der Blase zugeführt wird.
Bei den oben genannten Aspekten umfasst das System außerdem eine in dem Bauteil definierte Öffnung zum Einführen eines Polymerharzschaums in den Hohlraum.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das System eine in dem Bauteil definierte Entlüftung zur Entlüftung des Hohlraums.
Bei einigen der oben genannten Aspekte umfasst das System einen Führungsdraht, der mit der Blase verbunden ist, um die Blase in dem Bauteil zu positionieren.
Bei einigen Aspekten enthält der Führungsdraht außerdem Befestigungsschlaufen, um die Blase in dem Bauteil zu sichern.
Bei einigen der oben genannten Aspekte enthält die Blase einen begrenzten Abschnitt.
Bei einigen der oben genannten Aspekte enthält die Blase einen ausdehnbaren Abschnitt.
In einigen Aspekten bildet der ausdehnbare Abschnitt eine Nase, der sich von einem Hauptkörper der Blase aus erstreckt, wobei die Nase die Blase in dem ersten hohlen Durchgang des Bauteils fixiert.
Gemäß weiteren Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug. Das Strukturbauteil umfasst ein Bauteil mit einer Innenfläche, die einen ersten hohlen Durchgang definiert. Das Strukturbauteil umfasst auch eine strukturelle Verstärkung, die die Innenfläche des Bauteils berührt, wobei die strukturelle Verstärkung und das Bauteil einen Querschnitt definieren und die strukturelle Verstärkung den Querschnitt teilweise ausfüllt.
Bei den oben genannten Aspekten definiert die strukturelle Verstärkung einen zweiten hohlen Durchgang.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1A zeigt einen Fahrzeugrahmen mit mehreren Strukturbauteilen in einem Fahrzeug gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
1B zeigt ein Strukturelement eines Automobils mit darin ausgebildeten strukturellen Verstärkungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1C zeigt einen Querschnitt des Strukturelements von 1B, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer strukturellen Verstärkung, die in einem Bauteil enthalten ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3A zeigt ein Strukturbauteil mit einer Blase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3B zeigt das Strukturbauteil mit der aufgeblasenen Blase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3C zeigt die Einführung einer strukturellen Verstärkung in Hohlräume, die durch das Strukturbauteil und die aufgeblasene Blase definiert sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3D zeigt die strukturelle Verstärkung, die in dem Strukturbauteil und der entleerten Blase gebildet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3E zeigt die Strukturbauteil mit einer Vielzahl von strukturellen Verstärkungen, die in dem Strukturbauteil nach dem Entfernen der entleerten Blase gebildet werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine Blase mit Bereichen, die anisotrope Eigenschaften aufweisen, um verschiedene Blasenformen zu bilden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt einen Querschnitt eines Strukturbauteils mit einer strukturellen Verstärkung, die unter Verwendung einer Blase mit anisotropen Eigenschaften gebildet wurde, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist ein Diagramm, das die Auswirkung der Hinzufügung von strukturellen Verstärkungen zu einem Strukturbauteil zeigt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7A zeigt einen Querschnitt eines Strukturbauteils ohne eine darin ausgebildete strukturelle Verstärkung.
7B zeigt einen Querschnitt des Strukturbauteils aus 7A nach der Prüfung.
7C zeigt eine Draufsicht auf das Strukturbauteil aus 7A nach der Prüfung.
8A zeigt einen Querschnitt des Strukturbauteil mit einer strukturellen Verstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8B zeigt einen Querschnitt des Strukturbauteils aus 8A nach der Prüfung.
8C zeigt eine Draufsicht auf das Strukturbauteil aus 8A nach der Prüfung.
9A zeigt ein Strukturbauteil mit einer strukturellen Verstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
9B zeigt einen Querschnitt des Strukturbauteils aus 9A nach der Prüfung.
9C zeigt eine Draufsicht auf das Strukturbauteil aus 9A nach der Prüfung.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, an eine ausdrückliche oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in der vorangegangenen Einleitung, Kurzbeschreibung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt ist. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Referenznummern auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen.
Der hier verwendete Begriff „Fahrzeug“ ist nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt. Die vorliegende Technologie wird hier zwar in erster Linie im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen beschrieben, ist aber nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt. Die Konzepte können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in Verbindung mit Motorrädern, Mopeds, Lokomotiven, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und anderen Fahrzeugen oder anderen strukturellen oder nicht-strukturellen Anwendungen, bei denen es wünschenswert sein kann, ein Polymerharz in Kanälen abzuscheiden, die in Bauteilen ausgebildet sind.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Strukturbauteile, die strukturelle Verstärkungen enthalten, aufblasbare Systeme zur Bildung von strukturellen Verstärkungen in Strukturbauteilen und ein aufblasbares Verfahren zur Steuerung des Bildens von strukturellen Schaumverstärkungen. Zu den Strukturbauteilen gehören Bauteile, die mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllen: Tragen eines Fahrzeuggewichts, Absorbieren von Straßenstößen und Verwalten von Aufprallenergie. Unter einer strukturellen Verstärkung wird hier ein Material verstanden, das eine mechanische Eigenschaft des Strukturbauteils verbessert, wie z. B. die Druck-, Biege- oder Zugfestigkeit oder das Energieaufnahmevermögen des Strukturbauteils.
1A zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Karosserierahmen 102. Der Karosserierahmen 102 umfasst mehrere Strukturbauteile 103, wie die A-Säule 104 und die B-Säule 106. 1B und 1C zeigen eine B-Säule 106. Die Strukturbauteile 103 werden aus Bauteilen 112 gebildet, die hohle Durchgänge aufweisen. Die B-Säule 106 wird beispielsweise aus einem Bauteil 112 gebildet, das eine Innenfläche 114 aufweist, die einen ersten hohlen Durchgang 116 innerhalb des Bauteils 112 definiert. Der erste hohle Durchgang 116 ist ein länglicher hohler Durchgang. Die strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126 berühren die Innenfläche 114 des Bauteils 112 und sind an verschiedenen, diskreten Stellen innerhalb des ersten hohlen Durchgangs 116 des Bauteils 112 ausgebildet. Darüber hinaus sind die strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126 aus Polymerharzschaum gebildet, der eine zelluläre Struktur aufweist. Wie dargestellt, sind vier strukturelle Verstärkungen vorgesehen; es versteht sich jedoch, dass eine oder mehrere strukturelle Verstärkungen für ein einzelnes Bauteil 103 vorgesehen werden können, beispielsweise zwischen einer und zehn strukturelle Verstärkungen. Wenn mehrere strukturelle Verstärkungen vorhanden sind, können die strukturellen Verstärkungen aus einer Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, physikalischen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
Die strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126 füllen einen bestimmten Querschnitt des ersten hohlen Durchgangs 116 des Bauteils 112 nur teilweise aus und füllen nicht den gesamten Querschnitt des ersten hohlen Durchgangs 116. Wie in 1C dargestellt, füllt die strukturelle Verstärkung 122 einen Teil des Querschnitts des ersten hohlen Durchgangs 116 aus, und die strukturelle Verstärkung ist hohl und definiert einen zweiten hohlen Durchgang 130. In anderen Aspekten füllt die strukturelle Verstärkung 122 einen Teil des Querschnitts des ersten hohlen Durchgangs 116 aus, und ein zweiter hohler Durchgang 130 wird sowohl durch die strukturelle Verstärkung 122 als auch durch das Bauteil 112 definiert. In einigen Aspekten verschließt die strukturelle Verstärkung 122 im Bereich von 5 Prozent bis 90 Prozent, einschließlich aller Werte und Bereiche, eines gegebenen Querschnitts des ersten hohlen Durchgangs 116. Die teilweise Füllung des Bauteils 112 mit den strukturellen Verstärkungen reduziert das Gewicht der Strukturbauteile 103 im Vergleich zur vollständigen Füllung des strukturellen Bauteils 103 mit der strukturellen Verstärkung 11 und trägt so zu einer Gewichtsreduzierung des gesamten Fahrzeugs 100 bei.
Ein Verfahren 200 zum Formen der strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126 innerhalb eines Strukturbauteils 103 ist in 2 unter Bezugnahme auf die 3A bis 3E dargestellt, die ein System zum Ausschäumen eines Strukturbauteils 103 für ein Fahrzeug zeigen. Das Verfahren 200 beginnt im Block 202 mit dem Einführen einer unaufgeblasenen, einführbaren Blase in einen ersten hohlen Durchgang 303, der durch die Innenflächen 305 des Bauteils 304 eines Strukturbauteils 300 definiert ist. Die unaufgeblasene Blase 302 umfasst Führungsdrähte 306, 308, die mit der Blase 302 verbunden sind und sich von beiden Seiten der Blase 302 erstrecken, um die Positionierung der Blase 302 innerhalb des Bauteils 304 zu unterstützen. Die Führungsdrähte 306, 308 umfassen auch Befestigungsschlaufen 310, 312 zur Sicherung der Blase 302 an ihrem Platz, um eine Bewegung der Blase 302 in dem Bauteil 304 während des Formungsprozesses zu verhindern. Die Befestigungsschlaufen 310, 312 können mit dem Bauteil 300 oder mit einer Vorrichtung verbunden werden, die das Bauteil 300 während des Formprozesses an seinem Platz hält. In einigen Fällen ist die Blase 302 aus Silikon, Polypropylen, polyamidverstärktem Polypropylen oder Gummi hergestellt. In weiteren Aspekten ist die Blase 302 mit einer Formentrennmasse beschichtet oder anderweitig behandelt, um die Haftung am Polymerharzschaum zu verhindern oder zumindest zu verringern.
Die Blase 302 enthält außerdem begrenzte Abschnitte 314, 316, 318, die eine geringere Ausdehnung aufweisen als der Rest der Blase 302, wenn die Blase 302 aufgeblasen wird. Die begrenzten Abschnitte 314, 316, 318 können durch Aufwickeln von Fäden, Drähten, Bändern oder elastischen Bändern um die Blase 302 oder durch Ausbilden der begrenzten Abschnitte 314, 316, 318 der Blase 302 aus einem oder mehreren unterschiedlichen Materialien gebildet werden, die unterschiedliche Grade der Dehnbarkeit oder Verformung aufweisen, wenn eine Kraft auf die Blase 302 durch das die Blase 302 aufblasende Fluid 320 ausgeübt wird. Darüber hinaus können örtliche Begrenzungen wie Nähte, Haltegurte und andere Vernähungen die aufgeblasene Form der Blase 302 beeinflussen und begrenzte Abschnitte darstellen, die die Ausdehnung der Blase 302 begrenzen. Durch Änderung der Anzahl oder der Lage der Wicklungen oder durch Verwendung anderer Materialien können unterschiedliche Geometrien der Blase 302 und der strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126 gebildet werden. Obwohl drei begrenzte Abschnitte dargestellt sind, kann jede beliebige Anzahl von begrenzten Abschnitten vorgesehen werden, z. B. ein begrenzter Abschnitt bis zu zehn begrenzte Abschnitte. Ferner ist zu beachten, dass sich die begrenzten Abschnitte zwar über den gesamten Umfang der Blase 302 erstrecken, die begrenzten Abschnitte aber auch auf Segmente des Blasenumfangs beschränkt sein können.
Zusätzlich zu den begrenzten Abschnitten können auch ausdehnbare Abschnitte vorgesehen werden, und es wird auf 4 verwiesen, die eine Blase 302 zeigt, die begrenzte Abschnitte 314, 316 und ausdehnbare Abschnitte 328 enthält. Wie bereits erwähnt, begrenzen die begrenzten Abschnitte 314, 316, 318 das Ausmaß, in dem sich die Blase 302 in bestimmten Bereichen im Vergleich zu den anderen Abschnitten der Blase 302 aufblasen kann. Die dehnbaren Abschnitte 328 dehnen sich beim Aufblasen der Blase stärker aus als andere Abschnitte der Blase 302. Die ausdehnbaren Abschnitte 328 weisen andere Verformungseigenschaften auf, d. h. eine größere Verformung und eine größere Dehnbarkeit als die übrigen Abschnitte der Blase 302, wenn die Blase 302 mit einem Fluid gefüllt ist. Diese ausdehnbaren Abschnitte 328 der Blase 302 werden durch Änderung der Materialien oder der Dicke der Wandabschnitte gebildet. Im aufgeblasenen Zustand bilden die Abschnitte 328 Nasen 327, die sich vom Hauptkörper 329 der Blase 302 aus erstrecken, wie in 5 dargestellt, die einen Querschnitt der aufgeblasenen Blase 302 innerhalb eines Bauteils 304 zeigt. In dem dargestellten Aspekt fixieren die Nasen 327 die Blase 302 in dem ersten hohlen Durchgang 303 und halten die Blase 302 in dem ersten hohlen Durchgang 303 des Bauteils 304 fest. Die Kombination aus den begrenzten Abschnitten 314, 316, 318 und den ausdehnbaren Abschnitten 328 kann so angeordnet und eingestellt werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Geometrien bilden, wenn die Blase 302 aufgeblasen wird. So sind zwar vier Nasen 327 dargestellt, doch kann jede beliebige Anzahl von Nasen 327 vorgesehen werden.
In Block 204 und unter Bezugnahme auf 3B wird die Blase 302 auf einen bestimmten Druck aufgeblasen, indem die Blase 302 über eine mit dem Innenraum 323 der Blase 302 verbundene Versorgungsleitung 322 mit einem Fluid 320, wie z. B. Luft, einem Inertgas oder einer Flüssigkeit, gefüllt wird. Die Blase 302 berührt die Innenfläche 324 des Bauteils 304, stößt an diese an und bildet eine Dichtung mit der Innenfläche 324 des Bauteils 304, um eine Vielzahl von Hohlräumen 330, 334, 336 zwischen der Innenfläche 305 des Bauteils 304 und der Blase 302 zu bilden. Es sollte verstanden werden, dass, während mehrere Hohlräume dargestellt sind, ein Hohlraum oder zwei oder mehr Hohlräume definiert werden können. In einigen Fällen kann die Temperatur des Fluids 320 reguliert werden, z. B. durch Zirkulation des Fluids durch einen Kühler oder eine Heizung, um die Formung der strukturellen Verstärkungen zu erleichtern, indem das später in die Hohlräume 330, 332, 334 eingebrachte Harz gehärtet oder gekühlt wird. In einigen Aspekten wird der Aufblasdruck in der Blase 302 moduliert, um die Form der Blase 302 zu modulieren. Die Modulation kann erfolgen, während die Hohlräume 330, 332, 334 mit dem Polymerharz gefüllt werden oder während des Aufschäumens des Polymerharzschaums 348.
Nach dem Füllen der Blase 302 in Block 204 werden in Block 208 die Hohlräume 330, 332, 334 mit einem Polymerharz gefüllt, das den Polymerharzschaum 348 bildet, der die strukturellen Verstärkungen 342, 344, 346 erzeugt. In einigen Fällen entwickelt das Polymerharz Gas, um durch eine chemische Reaktion einen Polymerharzschaum 348 zu bilden, oder das Polymerharz enthält Treibmittel oder expandierbare Partikel im Polymerharz. In einigen Fällen kann das Schäumen durch Erhitzen des Polymerharzes ausgelöst werden. Beispiele für Polymerharzschäume 348 sind z. B. ein- oder zweiteilige Schäume, thermoplastische Materialien, die schäumbare Partikel oder Treibmittel enthalten, oder thermoplastische Materialien, die nach dem Schmelzen und vor dem Formen mit einem Gas gemischt werden. Zu den Polymerharzen, die zur Herstellung von Polymerharzschaumstoffen 348 verwendet werden, gehören z. B. eines oder mehrere der folgenden Materialien: Polyurethan, Epoxid, Polyisocyanurat, Ethylenvinylacetat, Polyolefin, Polyolefin-Ethylenvinylacetat-Gemische, Polybutylenterephthalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid, Polyethylenterephthalat und Acrylnitril-Butadien-Styrol. Wie bereits erwähnt, kann mehr als ein Polymerharzschaum 348 verwendet werden, wenn ein bestimmtes Bauteil 300 mehrere strukturelle Verstärkungen 342, 344, 346 enthält. Zur Bildung des Polymerharzschaums 348 jeder strukturellen Verstärkung können unterschiedliche Polymerharze verwendet werden, oder es kann das gleiche Polymerharz mit unterschiedlichen Mengen an Treibmittel verwendet werden. Die verschiedenen Polymerharzschäume 348 können unterschiedliche Dichten oder unterschiedliche mechanische Eigenschaften einschließlich Druck- und Zugfestigkeit aufweisen. In zusätzlichen oder alternativen Aspekten können unterschiedliche Mengen an Polymerharz in einen gegebenen Hohlraum injiziert werden, um Polymerharzschäume mit unterschiedlichen Dichten zu erhalten.
Das Polymerharz, das den Polymerharzschaum 348 bildet, wird durch ein Kanalsystem 352 eingebracht. In einigen Fällen wird das Kanalsystem 352 in einer oder mehreren Fixierungen 354 gebildet, an denen das Bauteil 304 gehalten wird. In anderen Fällen wird das Kanalsystem 352 aus einem Schlauch gebildet, der mit dem Bauteil 304 verbunden werden kann. Das Bauteil 304 weist eine Reihe von Öffnungen 356, 358, 360 auf, die mit den Hohlräumen 330, 332, 334 verbunden sind und mit dem Kanalsystem 352 verbunden werden können, um das Polymerharz des Polymerharzschaums 348 vor oder nach dem Aufschäumen des Polymerharzes in die Hohlräume 330, 332, 334 einzuführen. Ferner ist das Kanalsystem 352 mit einem Polymerharzvorrat 362 verbunden. In einigen Aspekten umfasst die Polymerharzversorgung 362 eines oder mehrere der folgenden Elemente: Vorratsfässer, Speicher, Dosierpumpen, Dosierer, Extruder und Mischer. In einigen Fällen ist jede Öffnung 356, 358, 360 mit seinem eigenen Kanalsystem 352 verbunden, das wiederum mit seinem eigenen Polymerharzvorrat 362 verbunden ist, und jeder Polymerharzvorrat 362 wird einzeln dosiert, damit an jeder Stelle eine andere Menge des Vorprodukts eingespritzt werden kann. Dadurch lässt sich die Dichte des Polymerharzschaums 348 in jedem Hohlraum 330, 332, 334 steuern. Ferner sind in dem Bauteil 304 Entlüftungsöffnungen 366, 368, 370 vorgesehen, die mit den Hohlräumen 330, 332, 334 verbunden sind, um Luft aus den Hohlräumen 330, 332, 334 abzulassen, während das Polymerharz des Polymerharzschaums 348 in die Hohlräume 330, 332, 334 injiziert wird.
In optionalen Aspekten wird vor dem Füllen der Hohlräume 330, 332, 334 in Block 208 in Block 206 das Polymerharz geschmolzen, mehrere Bauteile des Polymerharzes werden gemischt oder das Harz wird mit einem Gas kombiniert. Wird beispielsweise ein thermoplastisches Harz verwendet, so wird das Polymerharz durch Wärmezufuhr geschmolzen und in einigen Fällen mit Gas kombiniert. In einem anderen Beispiel werden bei Verwendung eines Zweikomponentenharzes wie Polyurethan oder Epoxid die Harzkomponenten gemischt. In anderen Fällen wird das Polymerharz ohne Vorbehandlung, wie z. B. Schmelzen, Mischen oder Kombinieren mit einem Gas, eingebracht, wie z. B. bei einem einkomponentigen Polyurethan.
Nach dem Füllen der Hohlräume 330, 332, 334 mit dem Polymerharz des Polymerharzschaums 348 in Block 208 wird das Polymerharz in den Hohlräumen 330, 332, 334 vernetzt oder verfestigt. Handelt es sich bei dem Polymerharz beispielsweise um eine Zweikomponentenmischung, kann das Polymerharz Vernetzungen bilden und sich zu dem Polymerharzschaum 348 verfestigen. In anderen Beispielen wird das Polymerharz erhitzt, um die Vernetzung zu initiieren oder ein Treibmittel in einem Polymerharz im Schmelzzustand auszulösen oder expandierbare Partikel in dem Polymerharz im Schmelzzustand zu expandieren, um die Entwicklung oder Expansion von Gasen zu bewirken, die den Polymerharzschaum 348 bilden. Wenn das Polymerharz des Polymerharzschaums 348 als Schmelze bereitgestellt wird, kann das geschäumte Polymerharz abkühlen und sich verfestigen. Es ist zu beachten, dass das Polymerharz nicht vollständig vernetzt oder vollständig auf Umgebungstemperatur abgekühlt sein muss, sondern ausreichend vernetzt oder ausreichend abgekühlt sein muss, damit die strukturellen Verstärkungen 342, 344, 346 einer Verformung beim Entfernen der Blase 302 widerstehen.
Sobald der Polymerharzschaum 348 in Block 210 ausreichend verfestigt ist, wird in Block 212 die Luft aus der Blase 302 abgelassen und in Block 214 wird die Blase von der strukturellen Verstärkung 342, 344, 346 entfernt. In einigen Fällen kann die Luft aus der Blase 302 abgelassen werden, indem die Flüssigkeit aus der Blase 302 gepumpt wird oder indem einfach der Druck, der auf das Fluid 320 in der Blase 302 ausgeübt wird, durch die elastische Rückstellung der Blase 302 oder eine externe Quelle verringert wird. Das Strukturbauteil 300 wird aus dem Bauteil 304 und den strukturellen Verstärkungen 342, 344, 346 gebildet. Wie dargestellt, nehmen die strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126, 342, 344, 346 eine Vielzahl von Formen an, die von der Form des Bauteils 112, 304 und der Blase 302 abhängen.
Die Einbeziehung der strukturellen Verstärkungen 120, 122, 124, 126, 342, 344, 346 in die Strukturbauteile 300 führt zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Ein anschauliches Beispiel ist in den 6 bis 9C dargestellt, das exemplarischen Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken. 6 enthält ein Diagramm, das die Wirkung eines hohlen Strukturbauteils 700 im Vergleich zu Strukturbauteilen 800, 900 mit strukturellen Verstärkungen 804, 904 zeigt. Die Strukturbauteile 700, 800, 900 sind längliche Rohre und werden aus Polyetherimid (ULTEM 9085, erhältlich bei SABIC, Houston, TX) mit einem FDM-3D-Drucker mit einer Wandstärke von 1 mm hergestellt. Innerhalb des Bauteils 800 befindet sich eine strukturelle Verstärkung aus Polyurethanschaum mit einer Dichte von 3 lb/ft³ (Pfund pro Kubikfuß), die sich über die Länge des Bauteils 800 erstreckt und eine Schaumdicke von 10 mm aufweist. Innerhalb der Strukturbauteile 900 ist eine strukturelle Verstärkung vorgesehen, die aus einem Polyurethanschaum mit einer Dichte von 10 lb/ft³ gebildet ist und sich über die Länge der Strukturbauteile 900 erstreckt und eine Dicke von 10 mm aufweist. Die 7A, 8A und 9A zeigen die Rundheit der Strukturbauteile 700, 800, 900 vor der Prüfung.
Auf die Bauteile 700, 800 und 900 wurde mit Hilfe eines Instron-Dreipunktbiegerahmens eine Kraft ausgeübt. Die Bauteile wurden an zwei Rollenträgern befestigt und mit einer 30 Kilonewton (kN)-Lastzelle eingedrückt, die die Durchbiegung von der Oberseite aus maß. Ein Dehnungsaufnehmer wurde unter dem Bauteil angebracht, um die Durchbiegung von unten zu messen. Die Kraft wurde mit einer Geschwindigkeit von 3 Millimetern pro Minute aufgebracht. Wie in der Grafik dargestellt, war die Kraft, die zur Verformung des Bauteils 700 ohne strukturelle Verstärkung führte (Diagrammlinie 710), geringer als die Kraft, die zur Verformung der Bauteile 800 und 900 mit strukturellen Verstärkungen 804 und 904 führte (Diagrammlinien 810 und 910). Die 7B, 8B und 9B zeigen das Verdrücken der Strukturbauteile 700, 800, 900 und den Verlust der Kreisform beim Versagen. Die 7C, 8C und 9C zeigen eine Draufsicht auf die resultierende Verformung 712, 812, 912 der Strukturbauteile 700, 800, 900 beim Versagen.
Das hier beschriebene Verfahren bezieht sich zwar auf Strukturelemente von Kraftfahrzeugen, es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass das Verfahren auch für die Einarbeitung von strukturellen Verstärkungen in andere Strukturbauteile verwendet werden kann, die hohle Durchgänge enthalten oder definieren. Zu den Strukturbauteilen gehören Bauteile, die mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllen: Tragen eines Fahrzeuggewichts, Absorbieren von Straßenstößen und Verwalten von Aufprallenergie. Zu den Strukturbauteilen gehören z. B. die verschiedenen Säulen (A, B, C, D), wie oben erwähnt, die Kühlerstütze, die vorderen und hinteren Stoßfängerverstärkungen, die Querträger, die Sitzrahmen, die vorderen und hinteren Türeinstiegsholme usw. Darüber hinaus kann das hier beschriebene Verfahren auch für das Einbringen anderer Materialien in Hohlräume anderer Strukturbauteile verwendet werden, z. B. für geräuschdämpfende Materialien in Luftkanälen.
Die Strukturbauteile einschließlich der strukturellen Verstärkungen und das Verfahren zum Formen der Strukturbauteile einschließlich der strukturellen Verstärkungen bieten mehrere Vorteile. Im Vergleich zu Formgebungsverfahren, die einen freien Aufstieg und eine vollständige Füllung der strukturellen Verstärkung im Strukturbauteil erfordern, umfassen die Vorteile zum Beispiel die Möglichkeit, mehrere strukturelle Verstärkungen im Strukturbauteil zu einem einzigen Zeitpunkt zu formen. Dies führt zu einer Verringerung der Zykluszeit für die Formung eines Bauteils mit mehreren strukturellen Verstärkungen, die mehrere Füllstationen erfordern. Zu den weiteren Vorteilen gehört eine Gewichtsreduzierung aufgrund der Möglichkeit, die strukturelle Verstärkung im Bauteil teilweise zu füllen. Dies führt zu einer Gewichtsreduzierung des Bauteils und trägt zur Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs bei.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Kerngedanken und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Fahrzeug, umfassend: Einführen einer Blase in einen ersten hohlen Durchgang, der durch eine Innenfläche eines Bauteils definiert ist; Aufblasen der Blase im ersten hohlen Durchgang; Bilden eines Hohlraums zwischen der Blase und der Innenfläche; Füllen des Hohlraums mit einem Polymerharz; Aufschäumen des Polymerharzes zur Bildung eines Polymerharzschaums; Entleeren der Blase; und Entfernen der Blase aus dem ersten hohlen Durchgang.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Polymerharzschaum den ersten hohlen Durchgang teilweise ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Positionieren der Blase innerhalb des Hohlraums unter Verwendung eines mit der Blase verbundenen Führungsdrahtes.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bilden einer Dichtung zwischen der Blase und der Innenfläche zur Bildung des Hohlraums.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bereitstellen einer Blase mit einem begrenzten Abschnitt, wobei sich der begrenzte Abschnitt beim Aufblasen weniger ausdehnt als ein Rest der Blase.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bereitstellen einer Blase mit einem ausdehnbaren Abschnitt, wobei sich der ausdehnbare Abschnitt beim Aufblasen stärker ausdehnt als der Rest der Blase.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Blase eine Nase aufweist und das Verfahren ferner das Anordnen der Blase in dem ersten hohlen Durchgang mit der Nase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Entlüften des Hohlraums durch eine von dem Bauteil definierte Entlüftung, während das Polymerharz aufgeschäumt wird.
System zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Fahrzeug, umfassend: ein Bauteil mit einem ersten hohlen Durchgang, der durch eine Innenfläche des Bauteils definiert ist; eine Blase, die in den ersten hohlen Durchgang des Bauteils einführbar ist, wobei die Blase aufblasbar ist und die Innenfläche des Bauteils berührt und einen Hohlraum definiert, wenn sie aufgeblasen ist; und eine Versorgungsleitung, die mit einem Innenraum der Blase verbunden ist, wobei dem Innenraum der Blase durch die Versorgungsleitung ein Fluid zum Aufblasen der Blase zugeführt wird.
Strukturbauteil für ein Fahrzeug, umfassend: ein Bauteil mit einer Innenfläche, die einen ersten hohlen Durchgang definiert; und eine strukturelle Verstärkung, die die Innenfläche des Bauteils berührt, wobei die strukturelle Verstärkung und das Bauteil einen Querschnitt definieren und die strukturelle Verstärkung den Querschnitt teilweise ausfüllt.