DE602005004701T2

DE602005004701T2 - Energie absorbierende Artikel

Info

Publication number: DE602005004701T2
Application number: DE200560004701
Authority: DE
Inventors: Tansen Dhanahjay 824 Gokul Chaudhari; Poovanna Kushalappa Theethira; Eric Jon Jaarda; Chinniah Thiagarajan; Stephen Shuler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: EP1612108A1; US7160621B2; EP1612108B1; US20050287371A1; KR20060048627A; CN1715702A; ES2303195T3; DE602005004701D1; MY143426A; ATE385929T1; JP2006071093A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Energie aufnehmende Systeme im Allgemeinen und Energie aufnehmende Systeme und Gegenstände mit auxetischen Strukturen im Besonderen.
Energie aufnehmende Systeme finden allgemein Anwendung in zahlreichen Situationen, die einen Umgang mit überschüssiger Energie fordern, ohne dass dabei diese umgebende Gegenstände zu Schaden kommen. In der Automobilindustrie zum Beispiel werden derartige Systeme auch als Energieaufnehmer (EA) bezeichnet und finden Anwendung in Stoßfängereinrichtungen von Autos und dgl. Typischerweise sind Stoßfänger so gestaltet, dass sie im Falle eines Aufpralls mit anderen Gegenständen, einschließlich Fahrzeugen, festen Gegenständen oder Fußgängern, die meiste Stoßkraft aufnehmen, um den Schaden an Passagieren und Fußgängern zu mindern. Herkömmlicherweise erfolgt die Herstellung von Energieaufnehmern unter Verwendung von Schaumstoff oder thermoplastischen Werkstoffen, die an einen Metallträger angebracht werden. Die in Stoßfängern verwendeten Energieaufnehmer müssen den Anforderungen hinsichtlich des die Sicherheit verstärkenden Grades der Energieaufnahme bei einem Zusammenstoß bei Aufprallgeschwindigkeiten von etwa 40 km/h genügen und sollen einen möglichen Schaden an Fußgängern bei einem Zusammenstoß bei geringer Geschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Fußgängern auf ein Minimum reduzieren. Ferner stellt die Einhaltung von Industriebestimmungen, zum Beispiel die Erfordernis, zur Minderung eines möglichen Schadens an Fußgängern eine geeignete Verformung bei Zusammenstößen bei geringer Geschwindigkeit und eine hohe Sperrkraft bei einem Aufprall bei hoher Geschwindigkeit zu bereitzustellen, eine große Herausforderung an herkömmliche Metall- oder Kunststoffstoßfänger dar. Ferner müssen moderne Energie aufnehmende Systeme schwierige Situationen wie zum Beispiel Unfälle mit Mehrfachaufprall, bei denen ein bereits verformter Stoßfänger einen zweiten Aufprall erleidet, bewältigen können. Typische Energieaufnehmer (EA) nehmen viel Platz ein, was in manchen Fällen aufgrund des aktuellen Trends, die Fahrzeuge mit einem Stoßfänger mit niedrigem Versatz zu gestalten, nicht erwünscht ist.
Um den aktuellen strengen Sicherheitsbestimmungen zu genügen und dabei gleichzeitig die Anforderungen an die derzeitigen Trends der Fahrzeuggestaltung zu erfüllen, besteht ein Bedarf an Energieaufnahmesysteme, die ein geringes Gewicht aufweisen und wenig Platz einnehmen, und die einen höheren Widerstand gegen Verformung und ein höheres Aufnahmevermögen für die bei einem Zusammenstoß entstehende Energie bieten als die derzeit erhältlichen Energieaufnahmesysteme. Im Allgemeinen besteht ein Bedarf für Energieaufnahmesysteme, die bei einer Anwendung in Kraftfahrzeugen oder in einem anderen Gebiet in der Lage sind, mehr Energie bei geringerer Masse aufzunehmen.
Andrew Alderson: „A triumph of lateral thought" (Der Triumph seitlichen Denkens), Chemistry and Industry, 17. Mai 1999, S. 384–391, XP002344286 beschreibt auxetische Werkstoffe und deren Verhalten sowie auxetische Gegenstände nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft Energie aufnehmende Gegenstände nach Anspruch 1.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer auxetischen Struktur, die seitlich auf Dehnung beansprucht wird.
2 eine schematische Darstellung einer auxetischen Struktur, die seitlich auf Druck beansprucht wird.
3 eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer auxiarchen Struktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
4 eine perspektivische Ansicht eines Gegenstandes mit einer auxiarchen Struktur.
5 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Gegenstandes mit einer auxiarchen Struktur.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nun folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen und der darin enthaltenen Beispiele näher erläutert. In der nun folgenden Beschreibung und den dieser folgenden Ansprüchen wird auf eine Anzahl von Begriffen Bezug genommen, die wie folgt zu verstehen sind:
Sofern nachfolgend bestimmte Begriffe im Singular angegeben sind, so sollen diese Begriffe an den angegebenen Stellen gleichfalls alternativ auch als im Plural angegeben verstanden werden, es sei denn, der Kontext legt eine andere Interpretation nahe.
Wie bereits erwähnt, sieht die vorliegende Erfindung einen Gegenstand mit auxetischen Strukturen vor. Auxetische Strukturen verleihen einem Gegenstand die Fähigkeit der Dehnung in Längsrichtung, wenn der Gegenstand seitlich beansprucht bzw. belastet wird. Umgekehrt ziehen sich auxetische Strukturen in Längsrichtung zusammen, wenn der Gegenstand seitlich zusammengedrückt wird. Auxetische Strukturen werden in 1 dargestellt, in der eine unverformte auxetische Struktur mit einer Vielzahl an Unterstrukturen 11 gezeigt wird. Die im Folgenden auch „auxetische Strukturen bildende Zellen" genannten Unterstrukturen 11, bilden die auxetische Struktur 10. Eine unverformte auxetische Struktur 10, wie sie in 1 gezeigt wird, verformt sich unter einer seitlichen Dehnungsbeanspruchung (angegeben durch die dicken Pfeile) und folgt dabei einem Rippengelenkmechanismus unter Bildung einer längsgestreckten Ausbildung 12. In ähnlicher Weise zeigt 2 die unverformte auxetische Struktur 10, die seitlich auf Druck beansprucht wird, sich verformt und eine in Längsrichtung zusammengedrückte Ausbildung 14 bildet. Bei Gegenständen mit auxetischen Strukturen, die in Längsrichtung einem Zug ausgesetzt sind, ist das Verhältnis seitliche Beanspruchung zu Beanspruchung in Längsrichtung negativ. Dieses Verhältnis ist ein Maß, das aussagt, um wieviel ein Gegenstand dünner wird, wenn er gestreckt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die Kombination einer auxetischen Struktur mit einer Zellbegrenzung ein Mittel schafft, das einem sowohl die auxetische Struktur und die Zellbegrenzung umfassenden Gegenstand eine erhöhte Fähigkeit zur Energieaufnahme verleiht. Nach einem Aspekt bezieht sich die Zellbegrenzung auf eine Begrenzung, die ausgebildet ist, um der Verformung der auxetischen Strukturen zu widerstehen. 3 zeigt einen Gegenstand 100 mit einer Zellbegrenzung 20, die nach einer Ausführungsform strukturmäßig mit einer auxetischen Struktur 10 gekoppelt ist. Die Zellbegrenzung 20 hat eine Krümmung, die den Widerstand gegen die Verformung der auxetischen Struktur erhöht, wie dies aus der in 3 dargestellten Ausführungsform ersichtlich ist. Es versteht sich, dass die Krümmung der Zellbegrenzung nach außen oder nach innen gewölbt, eckig sein kann oder eine Kombination solcher Merkmale besitzen kann. In der in 3 dargestellten Ausführungsform hat die Zellbegrenzung eine durchgehende Stärke. In alternativen Ausführungsformen kann die Zellbegrenzung in ihrer Stärke variieren. Strukturmäßig ist die Zellbegrenzung an die auxetischen Strukturen gekoppelt. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Zellbegrenzung anhand von „Verbindungselementen" 22 und 24 strukturmäßig gekoppelt. Verbindungselemente sind physische Verlängerungen der Zellbegrenzung 20 in die auxetische Struktur 10. Die Krümmung der Zellbegrenzung kann so ausgebildet sein, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Bauraums einer Dehnung in der auxetischen Struktur in mindestens einer Richtung standhält. So hat zum Beispiel die Zellbegrenzung 20 in der in 3 dargestellten Ausführungsform eine nach außen gewölbte Form. Die Zellbegrenzung ist derart ausgeführt, dass sie einem seitlichen Druck auf den Gegenstand wie folgt widersteht. Eine seitliche Druckbeanspruchung bewirkt, dass die auxetische Struktur 10 in Längsrichtung zusammengedrückt wird, ähnlich wie in 2. Daher neigen Verbindungselemente 22 und 24 dazu, sich senkrecht nach innen zu bewegen, wobei die Zellbegrenzung 20 dieser Bewegung widersteht.
Die in 3 dargestellte Struktur kann auch als „auxiarche" Struktur bezeichnet werden, wobei, sofern nachfolgend verwendet, unter diesem Begriff eine Struktur zu verstehen ist, die eine über Verbindungselemente mit einer auxetischen Struktur strukturmäßig gekoppelte Zellbegrenzung aufweist. Wie bereits erwähnt, ist vorgesehen, dass die auxetischen Strukturen mindestens eine Abmessung (Länge, Breite oder Weite) von etwa 1 mm haben. In manchen Ausführungsformen sollte mindestens eine Abmessung der auxetischen Struktur vorzugsweise mindestens etwa 10 mm betragen. In einer weiteren Ausführungsform sollte mindestens eine Abmessung der auxetischen Struktur vorzugsweise mindestens etwa 100 mm betragen. In einer Ausführungsform sind die auxetischen Strukturen einheitlich (einheitliche Verteilung) in ihrer Größe. In einer alternativen Ausführungsform unterscheiden sich die auxetischen Strukturen in ihrer Größe (uneinheitliche Verteilung). Es versteht sich, dass die in 3 dargestellte auxetische Struktur 10 eine „Rippengelenk"-Struktur besitzt; es können aber in dem durch die Ansprüche begrenzten Rahmen der Erfindung auch andere auxetische Strukturen verwendet werden.
In einer Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Gegenstand 100 (3) mindestens einen Kunststoff auf. Der Kunststoff kann ein thermoplastischer oder ein wärmehärtender Werkstoff sein. In manchen Fällen kann der Gegenstand eine Kombination von einem oder mehreren thermoplastischen Werkstoffen und einem oder mehreren wärmehärtenden Werkstoffen aufweisen. Kunststoffe, die für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen unter anderem Polycarbonat-ABS Mischungen (PC-ABS Blends), Polycarbonat-Poly-(Butylenterephthalat) Mischungen (PC-PBT Blends), Polyphenylenether, Polyphenylenether enthaltende Mischungen, Polyethylen hoher Dichte, Polyalkylene (zum Beispiel Polypropylene und Polyethylene), Polycarbonate, Polyamide, Olefinpolymere, Polyester, Polyestercarbonate, Polysulfone, Polyether, Polyetherimide, Polyimide, Silikonpolymere, Mischungen der vorgenannten Polymere, Copolymere der vorgenannten Polymere und deren Mischungen. Manche Ausführungsformen verwenden Bisphenol-A-Polycarbonat als Kunststoff. In einer Ausführungsform ist der Kunststoff XENOY, eine aus Polycarbonat und Poly-(Butylenterephthalat) bestehende Polymermischung der Firma GE Plastics.
In weiteren Ausführungsformen kann der Gegenstand 100 mindestens ein Metall aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen wird Aluminium verwendet. Weitere Beispiele von Metallen, die für eine Verwendung in dem erfindungsgemäßen Gegenstand geeignet sind, umfassen Aluminium, Nickel, Magnesium, Kupfer, Eisen, Molybdän, Wolfram, Stahl und Legierungen umfassend Aluminium, Nickel, Magnesium, Kupfer, Eisen, Molybdän und Wolfram.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Gegenstand 100 (3) mindestens einen Kunststoff und mindestens ein Metall auf. In bestimmten Fällen beruht die Werkstoffwahl für den Gegenstand auf ein gewünschtes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Ein höherer Prozentsatz an Metall erhöht typischerweise das Gewicht des Gegenstandes und kann auch dessen Festigkeit erhöhen. Je nach Anwendung des auxiarche Strukturen aufweisenden Gegenstands wird der Fachmann verschiedene Kombinationen von Metall und Kunststoffen erkennen. In einer Ausführungsform weist die Zellbegrenzung 20 des Gegenstands 100 einen Kunststoff, und die auxetische Struktur 10 ein Metall auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die Zellbegrenzung 20 des Gegenstands 100 ein Metall, und die auxetische Struktur 10 einen Kunststoff auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Gegenstand mindestens einen Verbundwerkstoff auf. Der Verbundwerkstoff kann wärmehärtende oder thermoplastische Werkstoffe aufweisen. Weitere im Verbundwerkstoff einsetzbare Werkstoffe umfassen Polymere, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Metallpulver, Metalle, Intermetalle, organischen Ton, anorganischen Ton, Keramik, bzw. deren beliebige Kombinationen. Wie bereits erwähnt, umfassen die Fasern kurze Fasern, die im Spritzgussverfahren hergestellt sein können. Verbundwerkstoffarten umfassen Endlosfaser-Verbundwerkstoffe, Vliesverbundwerkstoffe aus gehackten Fasern, Verbundwerkstoffe aus einem gewebten Stoff, auf einem dreidimensionalen Stoff beruhende Verbundwerkstoffe und dgl. Im vorliegenden Zusammenhang umfasst der Begriff „Verbundwerkstoffe" auch Werkstoffe, die Mischungen von organischen Verbindungen im Meso- bzw. Nanobereich sind, so zum Beispiel Polymere und anorganische Verbindungen und Mischungen von Polymeren und Keramikwerkstoffen.
Wie eingangs erwähnt, besitzt der Gegenstand 100 mit der auxiarchen Struktur eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Verformung. Der die auxiarche Struktur aufweisende Gegenstand findet Anwendung in verschiedenen Umgebungen. In einer Ausführungsform ist der die auxiarche Struktur aufweisende Gegenstand als Fahrzeugteil ausgebildet. Fahrzeuge umfassen im Allgemeinen Transportsysteme wie zum Beispiel Boote, Flugzeuge, Flugzeuginneneinrichtungen, Züge, Busse, Autos, Zweiräder, Traktoren, Laster, Anhänger, private Wasserfahrzeuge, Jetboote, und Motorschlitten, unter anderen. 4 zeigt den als Energieaufnehmer (EA) 110 eines Kfz-Stoßfängers ausgebildeten, eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenstand. Der in der in 4 dargestellten Ausführungsform gezeigte Energieaufnehmer weist auxetische Strukturen auf, wobei jede auxetische Struktur aus zwischen 3 und 10 eine auxetische Struktur bildenden Zellen besteht. Es sind aber auch auxetische Strukturen mit einer größeren Anzahl an eine auxetische Struktur bildenden Zellen 11 (1) möglich. Ferner zeigt 4 den Energieaufnehmer mit Zellbegrenzungen 20, die strukturmäßig im oberen und unteren Bereich der auxetischen Strukturen an diese gekoppelt sind. In einer alternativen Ausführungsform können die Zellbegrenzungen strukturmäßig an der rechten und linken Seite einer auxetischen Struktur gekoppelt sein, deren Ausrichtung sich von der in 4 gezeigten auxetischen Struktur unterscheidet. Die durch die Ansprüche definierte Erfindung umfasst verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen. Weitere Beispiele von Fahrzeugteilen, die aus eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenständen gebildet sein können, umfassen Kniestützen, Kopfstützen, Instrumententafeln, Sitze, Kissen, und andere.
In einer Ausführungsform sind die eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenstände Gegenstände für den persönlichen Schutz. Eine Ausrüstung für den persönlichen Schutz umfasst eine Kopfbedeckung, zum Beispiel einen Sicherheitshelm, Stiefel, Jacken, Handschuhe, Brillen und dgl.
In einer weiteren Ausführungsform können die eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenstände in großen Strukturen verwendet werden, so zum Beispiel als Baumaterial für Gebäude. Als Baumaterial eingesetzte, eine auxiarche Struktur aufweisende Gegenstände können vorteilhafterweise in der Erdbebensicherung von verschiedenen Gebäuden, Fundamenten, Wänden, Trägern, Stützen, Wandabschnitten, Balken, Dachbalken, Deckenbalken, Raumteilern und anderen Gebäudestrukturen angewendet werden. So sind beispielsweise manche Bereiche eines Gebäudes empfindlich für jede von äußeren Kräften verursachte Beanspruchung, wie zum Beispiel ein Erdbeben oder Wirbelstürme. Typischerweise werden verschiedene Bereiche eines Gebäudes beansprucht, wenn sie Belastungen ausgesetzt sind, wie sie durch Erdbeben, Wirbelstürme oder ähnliche Katastrophen verursacht werden. Die typischen Baumaterialien sind nicht auxetisch, so dass die typischen Beanspruchungen von Gebäudestrukturen ein nicht-auxetisches Verhalten an den Tag legen. Das nicht-auxetische Baumaterial, das in der Gebäudestruktur verwendet wird, zieht sich in seitlicher Richtung zusammen, wenn es in Längsrichtung gestreckt wird. Diese eingeleitete Belastung, bzw. die Verformung der Gebäudestrukturen schwächt noch mehr die Gebäudestruktur und kann zu zusätzlicher Belastung und Beanspruchung verschiedener Gebäudestrukturen führen. Durch diesen Domino-Effekt kann es zu einem Fehler in der gesamten Gebäudestruktur kommen. Entsprechend können in derartige Bereiche eine auxiarche Struktur aufweisende Gegenstände eingesetzt werden. Diese Gegenstände kompensieren vorteilhafterweise die nicht-auxetische Verformung und verbessern dabei den Widerstand der Gebäude gegen Strukturfehler.
Die auxiarchen Strukturen und eine auxiarche Struktur aufweisende Gegenstände können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenstände durch Spritzgießen eines Kunststoffes hergestellt. Im Allgemeinen wird beim Spritzgießen ein Ausgangsmaterial so erhitzt, dass es keinen Schaden nimmt, und es wird eine geeignete Form gefüllt, indem der Kunststoff bei geeignetem Druck, an der geeigneten Stelle und mit der geeigneten Geschwindigkeit in die Form gespritzt wird. Entsprechend der gewünschten auxiarchen Struktur hat die geeignete Form einen oder mehrere Hohlräume. Dann wird der Druck eine bestimmte Zeit lang beibehalten, um zu gewährleisten, dass die Form auch gefüllt ist, und wenn der Kunststoff fest wird, wird der Druck aufgehoben. Dann wird der geformte Gegenstand aus der Form ausgeworfen und danach wahlweise gehärtet. In dem durch die Ansprüche festgelegten Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es durchaus möglich, zur Herstellung von Gegenständen mit auxiarchen Strukturen jedes beliebige spezifische Spritzgießverfahren anzuwenden.
Nach einem weiteren Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit auxiarchen Strukturen, können, wie in 5 dargestellt, Extrusionsverfahren verwendet werden. Im Allgemeinen wird ein Kunststoff 114 bei geeigneter Temperatur von einer Schnecke 112 durch eine Matrize 116 gepresst, indem der Kunststoff von der geeigneten Seite der Matrize gedrückt wird. Der Kunststoff tritt durch die Matrize 116 deren Querschnitt 118 komplementär zu der gewünschten auxiarchen Struktur ist, so dass ein Gegenstand 110 mit den auxiarchen Strukturen gebildet wird. Zur Herstellung von Gegenständen mit auxiarchen Strukturen kann jedes Extrusionsverfahren, auch das Strangziehen, verwendet werden. Weitere geeignete Verfahren zur Herstellung der eine auxiarche Struktur aufweisenden Gegenstände umfassen unter anderen bekannten Verfahren das Harzinjektionsverfahren und das Vakuum unterstützte Harzinjektionsverfahren.
Nach einer Ausführungsform weist ein Kfz-Energieaufnehmer mehrere auxetische Strukturen auf, wobei die auxetischen Strukturen eine Größe von mehr als etwa 1 mm aufweisen und der Energieaufnehmer über seine Breite zwischen etwa 3 bis etwa 10 eine auxetische Struktur bildende Zellen aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass Energieaufnehmer mit auxetischen Strukturen vorzugsweise die Energie bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten aufnehmen und sich gleichzeitig unter typischen Bedingungen eines „Zusammenstoßes mit einem Fußgänger" seitlich zusammenziehen. In nachgestellten Fahrzeug-Fußgänger Zusammenstößen hat sich herausgestellt, dass ein seitliches Zusammenziehen den durch den Aufprall verursachten Schaden am „Fußgänger" verringert. Diese Entdeckung ermöglicht einen Energieaufnehmer bestehend aus einem einzigen Element, um in verschiedenen Arten von Zusammenstößen einschließlich eines Zusammenstoßes mit einem Fußgänger, eines frontalen Pendelaufpralls und dgl. den industriellen Sicherheitsbestimmungen zu genügen. Nach dieser Ausführungsform weist der Energieaufnehmer Kunststoffe auf, wie sie weiter oben mit Bezug auf eine auxiarche Struktur aufweisende Gegenstände benannt wurden. In einem. Aspekt weist der Energieaufnehmer das Material XENOY auf (GE Plastics). Nach einer weiteren Ausführungsform weist ein Kfz-Stoßfänger, wie eingangs erläutert, einen auxetische Strukturen aufweisenden Energieaufnehmer auf.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Energieaufnehmers mit auxetischen Strukturen bereit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Extrudieren eines Kunststoffes durch eine Matrize mit einem Querschnitt, der in seiner Struktur komplementär ist zu den auxetischen Strukturen, die in dem extrudierten Kunststoff nach Durchtritt durch die Matrize entstanden sind.
Gegenstände mit auxiarchen Strukturen, wie sie hier offenbart werden, zeigen einen verbesserten Widerstand gegenüber Verformung, haben ein auxetisches Verhalten, indem sie sich in Längsrichtung weiten, wenn sie seitlich gedehnt werden, und können mittels relativ einfacher Herstellungsverfahren wie zum Beispiel Extrusion hergestellt werden, wobei dies nur einige der Vorteile sind. Der verbesserte Widerstand gegenüber Verformung von auxiarchen Strukturen ist beispielsweise in der Anwendung an Kfz-Stoßfängern nützlich. Ein Energieaufnehmer mit einer auxiarchen Struktur ist insbesondere deshalb auch vorteilhaft, weil eine durch den Energieaufnehmer gebotene Sperrkraft mit abnehmender Breite des Energieaufnehmers (typisches Verhalten eines Stoßfängers im Falle eines Frontalaufpralls eines Fahrzeuges) steigt. Ferner ermöglicht ein verbesserter Aufprallwiderstand aufgrund der Rippengelenkwirkung (in auxiarchen Werkstoffen mit auxetischen Strukturen mit Rippengelenk) einen einstückigen Energieaufnehmer, der in verschiedenen Zusammenstoßarten, einschließlich eines Zusammenstoßes mit einem Fußgänger, eines frontalen Pendelaufpralls und dgl., den industriellen Sicherheitsbestimmungen genügt. Durch die höhere Festigkeit von Werkstoffen mit auxiarchen Strukturen kann die gesamte Masse des Energieaufnehmers reduziert werden, wodurch auch das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und in bestimmten Fällen auch der Bauraum des Energieaufnehmers reduziert wird. Obwohl hier exemplarisch ein Energieaufnehmer dargestellt wird, gelten die Vorteile von Gegenständen mit auxiarchen Strukturen, wie eingangs bemerkt, für ganz unterschiedliche Anwendungen.
Numerische Auswertung
Ein Vergleich von Leistungsparametern eines herkömmlichen Energieaufnehmers (Vergleichsbeispiel CEx) mit einem Energieaufnehmer mit auxetischen Strukturen (Beispiel 1) und mit einem Energieaufnehmer mit auxiarchen Strukturen (Beispiel 2) zeigt die Vorteile, die durch verschiedene weiter oben abgehandelte Ausführungsformen erzielt werden. Die folgenden Angaben wurden dadurch erzeugt, dass verschiedene Energieaufnehmer simuliert wurden, indem ein Testnetz unter Anwendung der Hypermesh^TM Software gebildet und im Hinblick auf sein Aufprallverhalten unter Verwendung der LsDyna^TM Software getestet wurde. Sofern im Folgenden der Begriff „Beispiel" verwendet wird, so ist darunter das Ergebnis einer numerischen Simulation zu verstehen, und nicht ein tatsächlich erfolgter physischer Test. Das Vergleichsbeispiel stellt das simulierte Verhalten eines herkömmlichen Energieaufnehmers dar. Ein Bauraum von etwa 100 mm des Energieaufnehmers des Vergleichsbeispiels wurde unter Standardbedingungen untersucht. Das Beispiel 1 stellt einen Energieaufnehmer dar, der eine „gerade" auxetische Struktur aufweist. Das Beispiel 2 stellt einen Energieaufnehmer mit einer geraden auxiarchen Struktur dar. In den Beispielen 1 und 2 wurden die numerischen Simulationen unter Verwendung einer simulierten Wandstärke von 3 Millimetern (mm) und eines Bauraums von etwa 60 mm durchgeführt. Der Fachmann wird erkennen, dass die Beispiele 1 und 2 Simulationen sind, wie sie von Kfz-Designingenieuren häufig verwendet werden. Unter Fachleuten sind derartige Simulationen dafür bekannt, nützlich zu sein bei der Vorhersage der Leistung von tatsächlich gekrümmten Energieaufnehmern. Tabelle 1

Vergleichsbeispiel (CEx) Beispiel 1 (Ex 1) Beispiel 2 (Ex 2)

Kraft (KN) 130 200 700

Eindringen (mm) 50 15 6

% Leistung 85 81 67

Masse (Kg) 1,8 2,1 2,8
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigt der niedrige Wert für die Kraft (Kraft (KN) = 130) des Vergleichsbeispiels (CEx) im Vergleich zu den Beispielen 1 und 2 eine geringere Sperrkraft des herkömmlichen Energieaufnehmers des Vergleichsbeispiels an im Verhältnis zu den Beispielen 1 und 2, die Energieaufnehmer darstellen, welche auxetische bzw. auxiarche Strukturen besitzen. Eine hohe Eindringstrecke in CEx besagt, dass der Energieaufnehmer in diesem Falle bei einem Aufprall mehr nachgibt als die Beispiele 1 und 2. Die Masse ist ein wichtiger Leistungsparameter und im Allgemeinen ist ein geringer Wert für die Masse wünschenswert. Es sei hier darauf hingewiesen, dass obwohl die Energieaufnehmer der Beispiele 1 und 2 eine größere Masse aufweisen, Energieaufnehmer mit einer geringeren Masse dadurch erzielt werden können, dass die Wandstärke der Energieaufnehmer in den Beispielen 1 und 2 von 3 mm auf 1,5 mm reduziert wird. Dadurch wird die Masse eines jeden Energieaufnehmers im Verhältnis zu dem in Tabelle 1 angegebenen Wert in etwa halbiert. Anhand von Verfahren ähnlich denen, die in den Beispielen 1 und 2 verwendet wurden, werden die den Beispielen 1 und 2 entsprechenden Energieaufnehmer mit einer verringerten Masse von etwa 1 kg bzw. 1,4 kg auf einen Kraftwert von etwa 150 KN (nur auxetische Struktur) und auf 300 KN (auxiarche Struktur) geschätzt. In Tabelle 1 ist die % Leistung ein Verhältnis zwischen der aufgenommenen Energie und der auf den Energieaufnehmer aufgebrachte kinetische Energie, wobei im Allgemeinen für die % Leistung ein höherer Wert wünschenswert ist. Die bei dem Vergleichsbeispiel beobachtete höhere % Leistung zeigt eine bessere Leistung an als bei den Beispielen 1 und 2. Auch hier kann die Leistung durch Reduzieren der Wandstärke verbessert werden, so dass die % Leistung der Beispiele 1 und 2 im Wesentlich vergleichbar wird mit der des Vergleichsbeispiels. Vorteilhafterweise wird diese verbesserte Leistung in einem kleineren Bauraum erzielt werden. Die in den Beispielen 1 und 2 dargestellten Ausführungen stellen, in ihrem Entwurf und verglichen mit dem Vergleichsbeispiel, eine wesentliche Verbesserung im Verhältnis zum bestehenden Stand der Technik dar.

Claims

Energie aufnehmender Gegenstand (100) umfassend: mehrere auxetische Strukturen (10), wobei diese auxetischen Strukturen größer als etwa 1 mm sind; und gekennzeichnet durch mindestens eine mit den auxetischen Strukturen (10) strukturmäßig gekoppelte Zellbegrenzung (20), wobei die Zellbegrenzung (20) ausgebildet ist, um einer Verformung der auxetischen Strukturen zu widerstehen.
Gegenstand (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens einen Kunststoff.
Gegenstand (100) nach Anspruch 2, wobei der Kunststoff Bisphenol-A-Polycarbonat ist.
Gegenstand (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend mindestens ein Metall.
Kraftfahrzeug-Stoßfänger umfassend einen Energieaufnehmer (110), wobei dieser Energieaufnehmer den Gegenstand nach Anspruch 1 umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Energie aufnehmenden Kunststoffgegenstands nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Spritzgießen eines Kunststoffes zur Formung des Gegenstands durch Einspritzen des Kunststoffs in eine Form, wobei die Form den auxetischen Strukturen (10) und der Zellbegrenzung entsprechende Hohlräume aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Energie aufnehmenden Kunststoffgegenstands nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Extrudieren eines Kunststoffes (114) zur Ausbildung des Gegenstands, wobei die Extrusion den Schritt umfasst, der darin besteht, den Kunststoff (114) durch eine Matrize (116) zu drücken, wobei die Matrize einen Querschnitt (118) aufweist, der Komplementär zu den auxetischen Strukturen (10) und der Zellabgrenzung ist.