WO2012140151A1 - Verfahren zur herstellung eines energieabsorbierenden bauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines energieabsorbierenden bauteils Download PDF

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WO2012140151A1
WO2012140151A1 PCT/EP2012/056700 EP2012056700W WO2012140151A1 WO 2012140151 A1 WO2012140151 A1 WO 2012140151A1 EP 2012056700 W EP2012056700 W EP 2012056700W WO 2012140151 A1 WO2012140151 A1 WO 2012140151A1
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energy
profile elements
component
fibers
force
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PCT/EP2012/056700
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Andreas Wüst
Marco Gross
Helge Weiler
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Basf Se
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
    • B60R2019/186—Additional energy absorbing means supported on bumber beams, e.g. cellular structures or material
    • B60R2019/1873—Cellular materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
    • B60R2019/1893—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact comprising a multiplicity of identical adjacent shock-absorbing means

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an energy-absorbing component, constructed from at least one side of a band connected to one another, each oriented in the opposite direction, one-sided open profile elements made of a polymer material.
  • Energy-absorbing components are used, for example, in the automotive industry in the field of bumpers.
  • the energy absorption takes place by deformation and targeted failure of the components, for example, in a collision.
  • weight reduction is essential in the context of a desired reduction in fuel consumption, the aim is to manufacture the components from lighter materials, for example from plastics.
  • energy-absorbing components such as those used in the bumper, it is also necessary that the components have the best possible failure behavior.
  • the aim is to obtain a larger energy intake with the smallest possible space.
  • polymer foams are currently being used as energy-absorbing material for the bumpers.
  • Polymer foams show a deformation behavior in which, with a constant force to be applied, first of all a great deformation takes place, which decreases with increasing deformation of the foam. In order to keep the load on both an object colliding with the vehicle and the vehicle body itself as low as possible, however, such a failure behavior is not desirable.
  • non-foamable polymers for the production of energy-absorbing components that are used as bumpers on the motor vehicle. This is disclosed, for example, in WO-A 02/087925.
  • the energy absorbing component comprises a structure with a B-shaped profile on which individual elements in the form of hoods are applied. When a force is applied, deformation first takes place and then failure due to breakage. The production of the energy absorbing component takes place, for example, by an injection molding process.
  • a bumper which comprises an energy absorbing member made of a polymeric material.
  • the bumper includes protruding and receding sections and is designed so that under the action of a force also here first a deformation and subsequent failure occurs by breakage.
  • a disadvantage of the bumpers known from the prior art is that an adaptation to the ideal force-displacement curve is possible only to a limited extent.
  • no energy-absorbing components can be produced which, for example, have elastic and uniformly deformable regions due to their shape, before a failure of the component occurs.
  • the object of the present invention is to provide a method for the production of energy absorbing components, with which it is possible to produce components that can be well adapted to an ideal force-displacement curve.
  • the object is achieved by a method for producing an energy-absorbing component, wherein the component is constructed on at least one side integrally connected to a band, each oriented in the opposite direction unilaterally open profile elements made of a polymer material comprising the following steps:
  • the component By means of the method according to the invention, it is possible to adapt the component to an ideal force-displacement curve by adapting the design of the individual profile elements.
  • the method also makes it possible, by the profile elements arranged in each case in the opposite direction, to produce a component which has a uniform shape Energy absorption allows. The energy absorption is realized by the fact that the component shows a controlled force-displacement curve.
  • the energy absorbing components are made conical in order to demould the components, which has the disadvantage that the shape is limited variable, for example, occurring in the loading direction undercuts, the one Prevent ideal design, it is possible by the inventive method to produce components with a shape in which undercuts also occur in loading direction. In this way, the adaptability to the force-displacement characteristic that is desired in other areas is possible than in the known from the prior art component structures.
  • connection of the individual profile elements on at least one side to a band results in a distribution of the gain of the energy-absorbing component across the direction of expansion. As a result, even when individual profile elements are destroyed, it is ensured that a sufficient residual effect can be achieved even in the event of a second impact on the energy-absorbing component.
  • the energy-absorbing component can also be ideally adapted to curved or recessed geometries. Furthermore, it is also possible to vary the band to adapt the force-displacement curve in width or thickness or reinforce by attaching ribs.
  • thermoplastic polymer As the polymer material from which the energy absorbing member is made, it is preferable to use a thermoplastic polymer or an injection-processable thermosetting polymer.
  • the polymer can be used reinforced or unreinforced, preferably reinforced polymers are used.
  • the polymers there are, for example, natural and synthetic polymers or their derivatives, natural resins and synthetic resins and their derivatives, proteins, cellulose derivatives and the like. These can, but do not have to be, chemically or physically curing, for example air-hardening, radiation-curing or temperature-curing.
  • copolymers or polymer mixtures are ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene); ASA (acrylonitrile-styrene-acrylate); acrylated acrylates; alkyd resins; Alkylenvinylacetate; Alkylene vinyl acetate copolymers, especially methylene vinyl acetate, ethylene vinyl acetate, butylene vinyl acetate; Alkylenvinylchlorid copolymers; amino resins; Aldehyde and ketone resins; Cellulose and cellulose derivatives, in particular hydroxyalkylcellulose, cellulose esters, such as acetates, propionates, butyrates, carboxyalkylcelluloses, cellulose nitrates; epoxy acrylates; epoxy resins; modified epoxy resins, for example bifunctional or polyfunctional bisphenol A or bisphenol F resins, epoxy novolac resins, brominated epoxy resins,
  • polymers can be used.
  • Particularly preferred polymers are acrylates, acrylate resins, cellulose derivatives, methacrylates, methacrylate resins, melamine and amino resins, polyalkylenes, polyimides, epoxy resins, modified epoxy resins, for example bifunctional or polyfunctional bisphenol A or bisphenol F resins, epoxy novolaks.
  • Resins brominated epoxy resins, cycloaliphatic epoxy resins; aliphatic epoxy resins, glycidyl ethers, cyanate esters, vinyl ethers, phenolic resins, polyimides, melamine resins and amino resins, polyurethanes, polyesters, polyvinyl acetals, polyvinyl acetates, polystyrenes, polystyrene copolymers, polystyrene acrylates, styrene-butadiene block copolymers, styrene-acrylonitrile copolymers, acrylonitrile-butadiene -Styrene, acrylonitrile-styrene-acrylate, polyoxymethylene, polysulfones, polyethersulfones, polyphenylene sulfone, polybutylene terephthalate, polycarbonates, Alkylenvinylacetate and vinyl chloride copolymers, polyamides
  • Particularly preferred polymers are polyamides, for example polyamide 46, polyamide 6, polyamide 1 1, polyamide 66, polyamide 6/6, polyamide 6/10 or polyamide 6/12, polypropylene, polyethylene, styrene-acrylonitrile copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene , Acrylonitrile-styrene-acrylate, polyoxymethylene, polysulfones, polyethersulfones, polyphenylene sulfones, polybutylene terephthalate, polycarbonates and mixtures thereof.
  • polyamides for example polyamide 46, polyamide 6, polyamide 1 1, polyamide 66, polyamide 6/6, polyamide 6/10 or polyamide 6/12, polypropylene, polyethylene, styrene-acrylonitrile copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene , Acrylonitrile-styrene-acrylate, polyoxymethylene, polysulfone
  • the polymer material is preferably reinforced.
  • the polymer material is fiber-reinforced.
  • any fiber known to the person skilled in the art and used for reinforcement can be used.
  • Suitable fibers are, for example, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers, boron fibers, metal fibers or potassium titanate fibers.
  • the fibers can be used in the form of short fibers or long fibers.
  • the fibers may be ordered or disordered in the polymeric material. In particular, when using long fibers, however, an orderly arrangement is common.
  • the fibers can be used for example in the form of single fibers, fiber strands, mats, fabrics, knits or rovings.
  • the fibers When the fibers are used in the form of long fibers, as rovings or as a fiber mat, the fibers are usually placed in a mold and then encapsulated with the polymer material.
  • the structure produced in this way can be single-layered or multi-layered.
  • the fibers of the individual layers may each be rectified or the fibers of the individual layers are twisted at an angle of -90 ° to + 90 ° to each other.
  • short fibers are preferably used. When short fibers are used, they are usually admixed with the polymer composition before curing.
  • the basic body of the structure can be produced, for example, by extrusion, injection molding or casting become.
  • the main body of the structure is manufactured by injection molding or casting.
  • the short fibers in the structure are undirected. However, if the structure is made by an injection molding process, alignment of the short fibers may result from the compression of the polymer composition containing the fibers by a injection nozzle into the tool.
  • any other fillers which are known to the person skilled in the art and which have a stiffness and / or increase in strength are suitable as reinforcing agents.
  • These include, among other things, any particles without preferential direction. Such particles are generally spherical, platy or cylindrical. The actual shape of the particles may differ from the idealized form. Thus, in particular, spherical particles can in reality also be drop-shaped or flattened, for example.
  • fibers used reinforcing materials are for example graphite, chalk, talc and nanoscale fillers.
  • glass fibers are particularly preferably used for reinforcement.
  • Particularly preferred as the material for producing the structure for absorbing the energy are glass fiber reinforced polyamides.
  • metals that can be formed by casting processes can also be used to make the structure for absorbing the energy.
  • die casting processes can be used to process light metals such as aluminum or magnesium.
  • ferrous metals for example steels or cast irons, which can be processed by casting processes can also be used.
  • a foamed core is introduced into a space defined by the inner surfaces of the profile elements open on one side. By introducing the foamed core, it is also possible to adjust the force-displacement characteristic of the energy absorbing component.
  • Another effect of the use of a foam is that with a stable connection of foam and polymer material of the profile elements is avoided that individual fragments break off in case of failure of the component and can cause injury.
  • a foam of a thermoplastic polymer which is welded, for example, to the profiled element.
  • it is preferable to connect the foam for example by gluing, to the profile elements.
  • a stable attachment of the foam is then possible, for example, when the foam is produced in the interior and when foaming the profile elements encloses or is pressed against the profile elements.
  • thermoplastic or thermosetting foams are suitable.
  • any foamable plastic can be used to produce a corresponding foam.
  • energy-absorbing foams of polyethylene or polyurethane are used as a material for the foam core.
  • the individual profile elements are reinforced on one side with ribs.
  • the number and geometry of the ribs is adapted to the desired force-displacement characteristic.
  • the ribs can all have the same geometry.
  • the ribs of the individual profile elements each have different geometries.
  • the ribs are preferably formed integrally with the injection molding of the energy absorbing component.
  • the component In addition to the use of ribs, it is alternatively possible to adapt the component to an ideal force-displacement curve by individual design of the individual profile elements.
  • the wall thickness and the width of the individual profile elements and the number of ribs can be adjusted.
  • An increase in the wall thickness for example, leads to a lower deformation when applying a force equal to that of a thinner wall. Accordingly, by reducing the wall thickness of the deformation can be increased by applying a constant force. Since the individual profile elements each transmit force to the adjacent profile elements by the one-piece connection on one side, it is possible to adapt the force-displacement characteristic also by the width of the individual profile element.
  • the energy absorbing component is particularly suitable for use in a bumper in a motor vehicle.
  • the energy absorbing member produced by the method of the present invention can be used, for example, as a general absorber in side impact, rear impact or head impact. Possible installation locations in a motor vehicle are under the bonnet, in the area of the Soschweiler, in the door module or in the interior under cladding elements.
  • Possible installation locations in a motor vehicle are under the bonnet, in the area of the 9.schweiler, in the door module or in the interior under cladding elements.
  • a three-dimensional representation of an energy absorbing component in a second embodiment is shown.
  • FIG. 1 schematically shows a front part of a motor vehicle with an installation position of an absorber structure.
  • a motor vehicle 1 usually comprises a front bumper 3 and a rear bumper, not shown here.
  • the structure of the front bumper and the rear bumper are substantially the same.
  • the front bumper comprises an energy absorbing member 5 which is connected to a cross member 7 of the motor vehicle.
  • An outer cover 9 is located in front of the energy-absorbing component 5. Between the outer cover 9, by which the vehicle contour is also formed, and the energy-absorbing component 5 there is usually a gap. When colliding with an object, for example another vehicle or a living being, for example a person, the outer cover 9 initially deforms and thereby absorbs energy.
  • the deformation of the outer cover 9 is so strong that it comes into contact with the energy absorbing member 5 and the energy absorbing member 5 is deformed by the action of the applied force.
  • energy is absorbed by the energy-absorbing component 5. Due to the deformation of the energy absorbing component 5 during the application of a force, in a collision, the force acting on the object colliding with the vehicle is partially absorbed and thus the damage to the object is reduced in comparison with the impact on a rigid element.
  • the energy-absorbing component 5 is usually an element made of a foam material, for example a polymer foam.
  • energy-absorbing components are currently used from a non-foamed plastic, which are designed such that the plastic initially deformed upon impact of a force and then fails due to breakage. Due to the deformation and the break energy is absorbed by the energy absorbing component 5.
  • the deformation path is plotted on the x-axis and the force F on the y-axis.
  • An ideal energy absorbing system incorporating the energy absorbing member has a constant characteristic F, and the strain path should remain constant while maintaining the same force acting on the component. That is, regardless of the deformation already made by applying a constant force, the deformation continues to increase linearly.
  • Reference numeral 13 represents a force-displacement curve for an energy absorbing foam as currently used.
  • a strong deformation occurs, and with increasing deformation, the force must increase, with the foam further deformed, that can be compressed.
  • Such behavior leads in contrast to the ideal energy-absorbing component to the fact that less energy can be absorbed by the foam as a component that follows the ideal force-displacement curve 1 1.
  • a possible force-displacement curve for a component according to the invention is shown with the curve designated by reference numeral 15.
  • the force-displacement curve for an energy-absorbing component according to the present invention has a course which approximates the ideal course.
  • the energy absorbing member according to the invention may be designed so that it can initially absorb a greater force than an energy absorbing foam in a short path, and thereafter a course closer to the ideal force-displacement curve can be achieved by deliberate deformation and failure 11 runs as the force-displacement curve 13 of an energy-absorbing foam.
  • FIG. 3 shows a detail of a component according to the invention in a first embodiment.
  • An inventively embodied energy absorbing component 5 is composed of individual profile elements 17, 19. According to the invention, the profile elements 17, 19 are each open on one side and aligned in the opposite direction.
  • the individual profile elements 17, 19 can, for example, be U-shaped as shown in FIG.
  • the individual profile elements 17, 19 each have a first leg 21, a second leg 23 and a base 25.
  • the base 25 may have, for example, as shown here, a convex arc.
  • the base 25 is concavely bent or has any other structure, for example, a waveform or a zigzag shape.
  • the individual opposite one-sided open profile elements 17, 19 are inventively connected to each other at their first legs 21 to form a band.
  • the second leg 23 are each connected together to form a band.
  • the energy absorbing member 5 if it is used in a motor vehicle, connected to the cross member 7 of the vehicle body. In the vehicle, the energy absorbing member 5 is oriented so that a force acting on the energy absorbing member 5 acts on the first legs 21.
  • the energy-absorbing component 5 deforms in the region of the base 25. In this case, the first legs 21 are pressed in the direction of the second legs 23.
  • the base 25 Upon reaching the deformation limit, the base 25 yields and the energy absorbing member 5 fails by breakage. Depending on the material used, it is also possible that a failure of the component does not occur but a deformation until the first legs 21 abut the second legs 23.
  • Arrows 27 show in FIG. 3 that the profile elements 17, 19 which are open on one side in each case continue in the direction of the arrow and in this way an arbitrarily wide energy-absorbing component 5 can be produced.
  • a stable connection with the cross member 7 is achieved by the second leg 23 each having a collar 29, with which they enclose the cross member 7.
  • the individual profile elements 17, 19. may have the same shape, as shown in Figure 3, alternatively, the profile elements may each be designed differently wide or have a different base.
  • the inventive design of the energy absorbing component 5 it is possible to produce this by an injection molding process in one operation.
  • the tools are each designed so that they each have projections which correspond to the inner contour of the profile elements open on one side and the projections each recesses are adjacent, which correspond to the outer contour of the adjacent profile element.
  • the tools are placed opposite each other and moved toward each other to close the mold.
  • each of the projections engage each other, so that a toothing arises.
  • the plastic material can then be injected.
  • the tools are moved out again and the finished component can be removed.
  • the energy-absorbing component 5 In order to further influence the force-displacement characteristic of the energy-absorbing component 5, it is also possible to introduce a core made of a polymer foam into the cavity formed by the respectively oppositely open profile elements 17, 19. This can, for example, after the production of the energy-absorbing the component 5 are inserted. Alternatively, it is also possible to insert the energy absorbing member 5 into a mold and to inject an expandable polymer which then expands and foams in the mold. The advantage of this method is that by foaming in the mold a stable connection with the energy absorbing member 5 can be produced.
  • FIG. 4 An alternative design of an energy absorbing component 5 is shown in FIG.
  • the embodiment shown in FIG. 4 differs from the embodiment shown in FIG. 3 in that the base 25 of the individual profile elements 17, 19 is reinforced in each case by a web 31 and ribs 33 connected to the web 31 and the base 25.
  • the web 31 and the ribs 33 are designed so that they do not hinder removal of the tool or are not damaged when removing the tool.
  • the webs 31 and the ribs 33 are preferably designed in the opening direction of the tool with parallel surfaces or with decreasing distance of the respective opposite surfaces. This allows the formation of the webs 31 and ribs 33 also in one operation. Alternatively, it is also possible to introduce the webs 31 or ribs 33 subsequently. However, preference is given to a preparation in one operation.
  • FIGS. 3 and 4 As an alternative to the configuration shown in FIGS. 3 and 4 with substantially U-shaped profile elements 17, 19, it is alternatively also possible to design the profile elements 17, 19, for example, in an S-shape or Z-shape.
  • the corresponding design is shown by way of example in FIGS. 5 and 6.
  • the opening direction of the tool is shown in each case with arrows 35.
  • FIG. 5 shows a Z-shaped profile
  • FIG. 6 shows an S-shaped profile.
  • profile elements of different geometries for example U-shaped, S-shaped and Z-shaped profile elements, can be combined with one another in any desired arrangement. It is also possible to reinforce only a part of the profile elements or all profile elements with webs and ribs.
  • the force-displacement curve over the entire width of the component can be set specifically, with different force-displacement curves may be desired in different areas of the component. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Bauteils (5), aufgebaut aus an mindestens einer Seite einstückig zu einem Band miteinander verbundenen, jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten, einseitig offenen Profilelementen (17, 19) aus einem Polymermaterial, das folgende Schritte umfasst: (a) Schließen eines Formwerkzeugs, umfassend mindestens zwei Werkzeugprofile, die in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind und jeweils abwechselnd hervorstehende Bereiche als Negativbild der Innenseite eines Profilelements (17, 19) und zurückstehende Bereiche als Negativbild der Außenseite eines benachbarten Profilelements (19, 17) aufweisen, wobei die hervorstehenden Bereiche der gegenüberliegend angeordneten Profile im geschlossen Zustand ineinandergreifen, b) Einspritzen des Polymermaterials in ein Werkzeug, (c) Öffnen des Formwerkzeugs, in dem die Werkzeugprofile in entgegengesetzter Richtung auseinander bewegt werden und Entnahme des Bauteils.

Description

Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Bauteils Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Bauteils, aufgebaut aus an mindestens einer Seite einstückig zu einem Band miteinander verbundenen, jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten, einseitig offenen Profilelementen aus einem Polymermaterial.
Energieabsorbierende Bauteile werden zum Beispiel in der Automobilindustrie im Bereich der Stoßfänger eingesetzt. Die Energieaufnahme erfolgt durch Verformen und gezieltes Versagen der Bauteile zum Beispiel bei einem Zusammenprall. Da im Rahmen einer gewünschten Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eine Gewichtsreduzie- rung unerlässlich ist, wird angestrebt, die Bauteile aus leichteren Werkstoffen, beispielsweise aus Kunststoffen zu fertigen. Insbesondere bei energieabsorbierenden Bauteilen, wie sie im Bereich der Stoßfänger eingesetzt werden, ist es zudem notwendig, dass die Bauteile ein möglichst ideales Versagensverhalten aufweisen. Ziel ist es, eine größere Energieaufnahme bei möglichst kleinem Bauraum zu erhalten.
Derzeit werden für die Stoßfänger insbesondere Polymerschäume als energieabsorbierendes Material eingesetzt. Polymerschäume zeigen jedoch ein Verformungsverhalten, bei dem bei gleichbleibender aufzubringender Kraft zunächst eine starke Verformung erfolgt, die mit zunehmender Verformung des Schaumes abnimmt. Um die Belastung sowohl auf ein mit dem Fahrzeug zusammenstoßendes Objekt als auch die Fahrzeugkarosserie selbst möglichst gering zu halten ist ein solches Versagensverhalten jedoch nicht erwünscht.
Neben dem Einsatz von Schäumen ist es auch bekannt, nicht schäumbare Polymere zur Fertigung der energieabsorbierenden Bauteile, die als Stoßfänger am Kraftfahrzeug eingesetzt werden, zu verwenden. Dies ist zum Beispiel offenbart in WO-A 02/087925. Das energieabsorbierende Bauteil umfasst eine Struktur mit einem B- förmigen Profil, auf dem einzelne Elemente in Form von Hauben aufgebracht sind. Bei Einwirkung einer Kraft erfolgt zunächst eine Verformung und anschließend ein Versa- gen durch Bruch. Die Herstellung des energieabsorbierenden Bauteils erfolgt zum Beispiel durch ein Spritzgießverfahren.
Auch in WO-A 03/104030 ist ein Stoßfänger offenbart, der ein energieabsorbierendes Bauteil aus einem Polymermaterial umfasst. Der Stoßfänger umfasst vorspringende und zurücktretende Abschnitte und ist so gestaltet, dass bei Einwirken einer Kraft auch hier zunächst eine Verformung und anschließendes Versagen durch Bruch erfolgt.
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Stoßfänger ist, dass eine An- passung an die ideale Kraft-Weg-Kurve nur in begrenztem Maße möglich ist. So können zum Beispiel aufgrund der im Stand der Technik bekannten Herstellverfahren keine energieabsorbierenden Bauteile gefertigt werden, die beispielsweise aufgrund ihrer Formgebung elastische und gleichmäßig verformbare Bereiche aufweisen, bevor es zu einem Versagen des Bauteils kommt. Auch ist es bei derzeit aus Schäumen hergestell- ten energieabsorbierenden Bauteilen nicht möglich, den Kraft-Weg-Verlauf über die Breite des Bauteils zu variieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von energieabsorbierenden Bauteilen bereitzustellen, mit dem es möglich ist, Bauteile zu fertigen, die gut an eine ideale Kraft-Weg-Kurve angepasst werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Bauteils, wobei das Bauteil aus an mindestens einer Seite einstückig zu einem Band miteinander verbundenen, jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten einseitig offenen Profilelementen aus einem Polymermaterial aufgebaut ist, das folgende Schritte umfasst:
(a) Schließen eines Formwerkzeugs, umfassend mindestens zwei Werkzeugprofile, die in entgegengesetzte Richtung bewegbar sind und jeweils abwechselnd her- vorstehende Bereiche als Negativbild der Innenseite eines Profilelements und zurückstehende Bereiche als Negativbild der Außenseite eines benachbarten Profilelements aufweisen, wobei die hervorstehenden Bereiche der gegenüberliegend angeordneten Werkzeugprofile in geschlossenem Zustand ineinandergreifen,
(b) Einspritzen des Polymermaterials in ein Werkzeug,
(c) Öffnen des Formwerkzeugs, indem die Werkzeugprofile in entgegengesetzter Richtung auseinander bewegt werden, und Entnehmen des Bauteils.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, durch eine Anpassung der Gestaltung der einzelnen Profilelemente das Bauteil an eine ideale Kraft-Weg-Kurve anzupassen. Das Verfahren erlaubt es weiterhin, durch die jeweils in entgegengesetzte Richtung angeordneten Profilelemente ein Bauteil herzustellen, das eine gleichmäßige Energieaufnahme ermöglicht. Die Energieaufnahme wird dadurch realisiert, dass das Bauteil einen kontrollierten Kraft-Weg-Verlauf zeigt.
Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen die energieabsorbierenden Bauteile konisch ausgeführt sind, um die Bauteile entformen zu können, was den Nachteil hat, dass die Formgebung nur eingeschränkt variierbar ist, beispielsweise durch in Belastungsrichtung auftretende Hinterschnitte, die eine ideale Gestaltung verhindern, ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, auch Bauteile mit einer Formgebung zu erzeugen, bei denen Hinterschnitte auch in Belas- tungsrichtung auftreten. Auf diese Weise ist die Anpassbarkeit an die Kraft-Weg- Charakteristik, die gewünscht ist, in weiteren Bereichen möglich als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilstrukturen.
Durch die jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten, einseitig offenen Pro- filelemente kann eine in Summe in Kraftrichtung ausgerichtete Struktur erzeugt werden. Durch die alternierende Öffnungsrichtung der einzelnen Profilelemente können die in weiten Grenzen anpassbaren Strukturen durch Einsatz der jeweils zwei Werkzeugprofile mit hervorstehenden und zurückstehenden Bereichen, die ineinandergreifen, problemlos entformt werden. Durch Variation und Kombination der jeweils in entge- gengesetzter Richtung ausgerichteten, einseitig offenen Profilelemente ist eine optimale Anpassung des energieabsorbierenden Bauteils an die über die Querachse des Fahrzeugs unterschiedlichen Anforderungen an die Kraft-Weg-Charakteristik möglich.
Durch die Verbindung der einzelnen Profilelemente an mindestens einer Seite zu ei- nem Band ergibt sich eine Verteilung der Wrkung des energieabsorbierenden Bauteils quer über die Ausdehnungsrichtung. Hierdurch wird auch bei Zerstörung einzelner Profilelemente gewährleistet, dass auch bei einem zweiten Aufprall auf das energieabsorbierende Bauteil eine ausreichende Restwirkung erzielt werden kann. Wenn die Profilelemente auch an einer zweiten Seite einstückig zu einem Band miteinander verbunden werden, kann das energieabsorbierende Bauteil ideal auch an gekrümmte oder ausgesparte Geometrien angepasst werden. Weiterhin ist es auch möglich, das Band zur Anpassung des Kraft-Weg-Verlaufs in Breite oder Dicke zu variieren oder durch Anbringen von Rippen zu verstärken.
Als Polymermaterial, aus dem das energieabsorbierende Bauteil hergestellt wird, wird vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer oder ein durch Spritzguss verarbeitbares duroplastisches Polymer verwendet. Das Polymer kann verstärkt oder unverstärkt eingesetzt werden, bevorzugt werden verstärkte Polymere verwendet. Als Polymere ereignen sich zum Beispiel natürliche und synthetische Polymere oder deren Derivate, Naturharze sowie synthetische Harze und deren Derivate, Proteine, Cellulose-Derivate und dergleichen. Diese können - müssen jedoch nicht - chemisch oder physikalisch härtend, beispielsweise luftaushärtend, Strahlungshärtend oder tem- peraturhärtend, sein.
Neben Homopolymeren können auch Copolymere oder Polymergemische eingesetzt werden. Bevorzugte Polymere sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol); ASA (Acrylnitril-Styrol- Acrylat); acrylierte Acrylate; Alkydharze; Alkylenvinylacetate; Alkylenvinylacetat- Copolymere, insbesondere Methylenvinylacetat, Ethylenvinylacetat, Butylenvinylacetat; Alkylenvinylchlorid-Copolymere; Aminoharze; Aldehyd- und Ketonharze; Cellulose und Cellulose-Derivate, insbesondere Hydroxyalkylcellulose, Celluloseester, wie -acetate, -Propionate, -butyrate, Carboxyalkylcellulosen, Cellulosenitrate; Epoxyacrylate; Epoxidharze; modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxidharze, cycloaliphatische Epoxidharze; aliphatische Epoxidharze, Glycidether, Vinylether, Ethylenacrylsäurecopolymere; Kohlenwasserstoffharze; MABS (transparentes ABS mit Acrylat-Einheiten enthaltend); Melaminharze; Maleinsäureanhydridcopolymerisate; (Meth)acrylate; Naturharze; Kolophoniumharze; Schellack; Phenolharze; Polyester; Polyesterharze, wie Phenylesterharze; Polysulfone (PSU); Polyethersulfone (PESU); Polyphenylensulfon (PPSU); Polyamide; Polyimide; Polyaniline; Polypyrrole; Poly- butylentherephtalat (PBT); Polycarbonate (zum Beispiel Makroion® der Bayer AG); Polyesteracrylate; Polyetheracrylate; Polyethylen; Polyethylenthiophene; Polyethylen- naphthalate; Polyethylentherephtalate (PET); Polyethylentherephtalat-Glycol (PETG); Polypropylen; Polymethylmethacrylat (PMMA); Polyphenylenoxid (PPO); Polyoxy- methylen (POM); Polystyrole (PS); Polytetrafluorethylen (PTFE); Polytetrahydrofuran; Polyether (zum Beispiel Polyethylenglycol, Polypropylenglycol); Polyvinyl- Verbindungen, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), PVC-Copolymere, PVdC, Polyvinylacetat sowie deren Copolymere, gegebenenfalls teilhydrolisierter Polyvinylal- kohol, Polyvinylacetale, Polyvinylacetate, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylether, Polyvinylacrylate und -methacrylate in Lösung und als Dispersion sowie deren Copolymere, Polyacrylsäureester und Polystyrolcopolymere; Polystyrol (schlagfest oder nicht schlagfest modifiziert); Polyurethane, unvernetzte bzw. mit Isocyanaten vernetzt; Polyurethanacrylate; Stryrol-Acrylnitril (SAN); Styrol-Acryl-Copolymere; Styrol- Butadien-Blockcopolymere (zum Beispiel Styroflex® oder Styrolux® der BASF SE, K- Resin™ der TPC); Proteine, zum Beispiel Casein; SIS; Triazin-Harz, Bismaleimid- Triazin-Harz (BT), Cyanatester-Harz (CE), allylierter Polyphenylen-Ether (APPE). Wei- terhin können Mischungen zweier oder mehrerer Polymere eingesetzt werden. Besonders bevorzugte Polymere sind Acrylate, Acrylatharze, Cellulose-Derivate, Methacrylate, Methacrylatharze, Melamin- und Aminoharze, Polyalkylene, Polyimide, Epoxidharze, modifizierte Epoxidharze, zum Beispiel bifunktionelle oder polyfunktionelle Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-Harze, Epoxy-Novolak-Harze, bromierte Epoxid-Harze, cycloaliphatische Epoxid-Harze; aliphatische Epoxid-Harze, Glycidether, Cyanatester, Vinylether, Phenolharze, Polyimide, Melaminharze und Aminoharze, Polyurethane, Polyester, Polyvinylacetale, Polyvinylacetate, Polystyrole, Polystyrol-Copolymere, Polystyrolacrylate, Styrol-Butadien-Blockcopolymere, Styrol- Acrylnitril-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrol-Acrylat, Polyoxy- methylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfon, Polybutylenterephthalat, Polycarbonate, Alkylenvinylacetate und Vinylchlorid-Copolymere, Polyamide, Cellulose-Derivate sowie deren Copolymere und Mischungen zweier oder mehrerer dieser Polymere.
Insbesondere bevorzugte Polymere sind Polyamide, beispielsweise Polyamid 46, Polyamid 6, Polyamid 1 1 , Polyamid 66, Polyamid 6/6, Polyamid 6/10 oder Polyamid 6/12, Polypropylen, Polyethylen, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrol-Acrylat, Polyoxymethylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polypheny- lensulfone, Polybutylenterephthalat, Polycarbonate sowie deren Mischungen.
Das Polymermaterial ist vorzugsweise verstärkt. Insbesondere ist das Polymermaterial faserverstärkt. Zur Verstärkung kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte, zur Verstärkung übliche Faser verwendet werden. Geeignete Fasern sind zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Borfasern, Metallfasern oder Kaliumtitanatfasern. Die Fasern können in Form von Kurzfasern oder Langfasern eingesetzt werden. Auch können die Fasern geordnet oder ungeordnet im Polymermaterial enthalten sein. Insbesondere bei Einsatz von Langfasern ist jedoch eine geordnete Anordnung üblich. Die Fasern können dabei zum Beispiel in Form von Einzelfasern, Fasersträngen, Matten, Geweben, Gestricken oder Rovings eingesetzt werden. Wenn die Fasern in Form von Langfasern, als Rovings oder als Fasermatte eingesetzt werden, so werden die Fasern üblicherweise in eine Form eingelegt und anschließend mit dem Polymermaterial umgössen. Die so hergestellte Struktur kann einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein. Bei einem mehrlagigen Aufbau können die Fasern der einzelnen Lagen jeweils gleichgerichtet sein oder die Fasern der einzelnen Lagen sind in einem Winkel von -90° bis +90° zueinander verdreht.
Bevorzugt werden jedoch Kurzfasern eingesetzt. Bei Einsatz von Kurzfasern werden diese üblicherweise der Polymermasse vor dem Aushärten zugemischt. Der Grundkör- per der Struktur kann zum Beispiel durch Extrusion, Spritzgießen oder Gießen gefertigt werden. Bevorzugt wird der Grundkörper der Struktur durch Spritzgießen oder Gießen gefertigt. Im Allgemeinen sind die Kurzfasern in der Struktur ungerichtet enthalten. Wenn die Struktur jedoch durch ein Spritzgussverfahren hergestellt wird, kann sich eine Ausrichtung der Kurzfasern durch das Pressen der die Fasern enthaltenden Polymermasse durch eine Anspritzdüse in das Werkzeug ergeben.
Als Verstärkungsmittel eignen sich neben Fasern auch beliebige andere Füllstoffe, die dem Fachmann bekannt sind und die steifigkeits- und/oder festigkeitserhöhend wirken. Hierzu zählen unter anderem auch beliebige Partikel ohne Vorzugsrichtung. Derartige Partikel sind im Allgemeinen kugelförmig, plättchenförmig oder zylindrisch. Die tatsächliche Form der Partikel kann dabei von der idealisierten Form abweichen. So können insbesondere kugelförmige Partikel in der Realität zum Beispiel auch tropfenförmig oder abgeflacht sein. Neben Fasern eingesetzte Verstärkungsmaterialien sind zum Beispiel Graphit, Kreide, Talkum und nanoskalige Füllstoffe.
Besonders bevorzugt zur Verstärkung werden jedoch Glasfasern eingesetzt. Insbesondere bevorzugt als Material zur Herstellung der Struktur zum Absorbieren der Energie sind glasfaserverstärkte Polyamide.
Neben Polymermaterialien können zur Herstellung der Struktur zum Absorbieren der Energie auch Metalle verwendet werden, die durch Gussverfahren geformt werden können. So eignen sich zum Beispiel durch Druckgussverfahren verarbeitbare Leicht- metalle wie Aluminium oder Magnesium. Jedoch können auch eisenhaltige Metalle, zum Beispiel Stahle oder Gusseisen, die durch Gussverfahren verarbeitet werden können, eingesetzt werden. Auch ist es möglich, entsprechende energieabsorbierende Bauteile aus metallischen Werkstoffen durch ein Stanz-Biege-Verfahren herzustellen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird in einen durch die Innenflächen der einseitig offenen Profilelemente definierten Raum ein geschäumter Kern eingebracht. Durch das Einbringen des geschäumten Kernes ist es weiterhin möglich, die Kraft- Weg-Charakteristik des energieabsorbierenden Bauteils anzupassen. Ein weiterer Effekt des Einsatzes eines Schaumes ist, dass bei einer stabilen Verbindung von Schaum und Polymermaterial der Profilelemente vermieden wird, dass einzelne Splitter bei Versagen des Bauteiles abbrechen und zu Verletzungen führen können. Um eine stabile Verbindung von Profilelement und Schaum zu erhalten, ist es möglich, einen Schaum aus einem thermoplastischen Polymeren einzusetzen, der zum Beispiel an das Profilelement angeschweißt wird. Bevorzugt ist es jedoch, den Schaum zum Bei- spiel durch Kleben mit den Profilelementen zu verbinden. Alternativ ist es auch mög- lieh, den Schaum nicht kraft-oder formschlüssig mit den Profilen zu verbinden sondern den Schaum in den durch die Profilelemente gebildeten Innenraum zu positionieren. Eine stabile Befestigung des Schaumes ist dann zum Beispiel möglich, wenn der Schaum in dem Innenraum hergestellt wird und beim Aufschäumen die Profilelemente mit umschließt bzw. gegen die Profilelemente gepresst wird.
Als Material für den Schaum, wenn ein solcher Schaumkern eingesetzt wird, eignen sich zum Beispiel thermoplastische oder duroplastische, offenzellige oder geschlossenzellige Schäume. Hierbei kann jeder beliebige, schäumbare Kunststoff zur Herstellung eines entsprechenden Schaumes eingesetzt werden. Bevorzugt als Material für den Schaumkern werden sogenannte energieabsorbierende Schäume aus Polyethylen oder Polyurethan eingesetzt.
Eine Anpassung der Profilelemente an die gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik ist zum Beispiel möglich, indem die einzelnen Profilelemente einseitig mit Rippen verstärkt werden. Hierbei ist es insbesondere bevorzugt, die Profilelemente an ihren Innenseiten, das heißt den Seiten, die den gegenüberliegenden Profilelementen zuweisen, mit Rippen zu verstärken. Die Anzahl und Geometrie der Rippen wird dabei an die gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik angepasst. Hierbei ist es einerseits möglich, dass alle Profilelemente, die zu dem energieabsorbierenden Bauteil verbunden sind, mit einer gleichen Anzahl an Rippen versehen werden oder auch unterschiedliche Anzahlen an Rippen aufweisen. Auch können die Rippen alle die gleiche Geometrie aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Rippen der einzelnen Profilelemente jeweils unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Wenn die einzelnen Profilelemente mit Rippen ausgestattet werden, so werden die Rippen vorzugsweise beim Spritzgießen des energieabsorbierenden Bauteils einstückig mit ausgebildet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zum Beispiel separate Rippen herzustellen und diese anschließend beispielsweise durch ein Schweißverfahren mit den Profilelementen zu verbinden. Bevorzugt ist es jedoch, die Rippen einteilig während der Herstellung des energieabsorbierenden Bauteiles auszubilden.
Neben dem Einsatz von Rippen ist es alternativ auch möglich, das Bauteil durch individuelle Gestaltung der einzelnen Profilelemente an eine ideale Kraft-Weg-Kurve anzu- passen. Zur Anpassung an die ideale Kraft-Weg-Kurve können zum Beispiel die Wandstärke und die Breite der einzelnen Profilelemente sowie die Anzahl der Rippen angepasst werden. Eine Vergrößerung der Wandstärke führt zum Beispiel zu einer geringeren Verformung bei Aufbringen einer gleich großen Kraft als bei einer dünneren Wand. Entsprechend kann durch Verringerung der Wandstärke der Verformungsweg bei Aufbringen einer gleichbleibenden Kraft vergrößert werden. Da die einzelnen Profilelemente jeweils durch die einteilige Verbindung an einer Seite Kraft an die benachbarten Profilelemente übertragen, ist es möglich, die Kraft-Weg- Charakteristik auch durch die Breite des einzelnen Profilelementes anzupassen.
Das energieabsorbierende Bauteil eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Stoßfänger in einem Kraftfahrzeug. Weiterhin kann das energieabsorbierende Bauteil, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, zum Beispiel auch als allgemeiner Absorber bei Seitenaufprall, Heckaufprall oder Kopfaufprall eingesetzt werden. Mögliche Einbauorte in einem Kraftfahrzeug liegen unter der Motorhaube, im Bereich der Seitenschweiler, im Türmodul oder im Innenraum unter Verkleidungselementen. Neben dem Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist auch ein Einsatz der energieabsorbierenden Bauteile in der Verpackungstechnik zum Schutz von zu verpackenden Gütern möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit Darstellung der Einbauposition einer vorderen Absorberstruktur,
Kraft-Weg-Kurven für unterschiedliche Absorberstrukturen,
Eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten energieabsorbierenden Bauteils,
Eine dreidimensionale Darstellung eines energieabsorbierenden Bauteils in einer zweiten Ausführungsform.
Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Bauteils mit z-förmigen Profilelementen,
Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Bauteils mit s-förmigen Profilelementen
In Figur 1 ist schematisch ein vorderer Teil eines Kraftfahrzeugs mit Einbauposition einer Absorberstruktur dargestellt. Ein Kraftfahrzeug 1 umfasst üblicherweise einen vorderen Stoßfänger 3 und einen hier nicht dargestellten hinteren Stoßfänger. Der Aufbau des vorderen Stoßfängers und des hinteren Stoßfängers ist im Wesentlichen gleich. Der vordere Stoßfänger umfasst ein energieabsorbierendes Bauteil 5, das mit einem Querträger 7 des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Vor dem energieabsorbierenden Bauteil 5 befindet sich eine äußere Abdeckung 9. Zwischen der äußeren Abdeckung 9, durch die auch die Fahrzeugkontur gebildet wird, und dem energieabsorbierenden Bauteil 5 befindet sich üblicherweise ein Spalt. Bei Kollision mit einem Objekt, bei- spielsweise einem anderen Fahrzeug oder auch einem Lebewesen, beispielsweise einer Person, verformt sich zunächst die äußere Abdeckung 9 und nimmt hierdurch Energie auf. Je nach Stärke des Aufpralls ist die Verformung der äußeren Abdeckung 9 so stark, dass diese mit dem energieabsorbierenden Bauteil 5 in Kontakt tritt und das energieabsorbierende Bauteil 5 durch Einwirkung der aufgebrachten Kraft verformt wird. Bei der Verformung wird vom energieabsorbierenden Bauteil 5 Energie vernichtet. Durch die Verformung des energieabsorbierenden Bauteils 5 beim Aufbringen einer Kraft wird bei einer Kollision die auf das mit dem Fahrzeug kollidierende Objekt wirkende Kraft zum Teil absorbiert und so die Schädigung des Objekts im Vergleich mit dem Aufprall auf ein starres Element verringert.
Gemäß dem Stand der Technik wird als energieabsorbierendes Bauteil 5 üblicherweise ein Element aus einem Schaummaterial, beispielsweise einem Polymerschaum, eingesetzt. Alternativ werden derzeit auch energieabsorbierende Bauteile aus einem nicht geschäumten Kunststoff eingesetzt, wobei diese derart gestaltet sind, dass sich der Kunststoff bei Auftreffen einer Kraft zunächst verformt und dann durch Bruch versagt. Durch die Verformung und den Bruch wird vom energieabsorbierenden Bauteil 5 Energie aufgenommen.
Die Kraft-Weg-Charakteristika für verschiedene Werkstoffe sind in Figur 2 dargestellt.
Auf der x-Achse ist der Verformungsweg aufgetragen und auf der y-Achse die Kraft F.
Ein ideales energieabsorbierendes System, das das energieabsorbierende Bauteil enthält, weist eine konstante Kennlinie F auf, wobei der Verformungsweg bei gleichblei- bender auf das Bauteil wirkender Kraft konstant bleiben sollte. Das heißt, dass unabhängig von der bereits erfolgten Verformung durch Aufbringen einer konstanten Kraft die Verformung weiterhin linear zunimmt. Mit Bezugszeichen 13 ist eine Kraft-Weg-Kurve für einen energieabsorbierenden Schaum, wie er derzeit eingesetzt wird, dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass zunächst bei Aufbringen einer vergleichsweise geringen Kraft eine starke Verformung erfolgt, und bei zunehmender Verformung die Kraft zunehmen muss, mit der der Schaum weiter verformt, das heißt zusammengepresst werden kann. Ein solches Verhalten, wie es ein energieabsorbierender Schaum aufweist, führt im Unterschied zum idealen energieabsorbierenden Bauteil dazu, dass insgesamt weniger Energie vom Schaum absorbiert werden kann als von einem Bauteil, das dem idealen Kraft-Weg- Verlauf 1 1 folgt.
Ein möglicher Kraft-Weg-Verlauf für ein erfindungsgemäßes Bauteil ist mit der mit Bezugszeichen 15 bezeichneten Kurve dargestellt. Im Unterschied zu der Kraft-Weg- Kurve für einen energieabsorbierenden Schaum weist die Kraft-Weg-Kurve für ein energieabsorbierendes Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung einen an den idea- len Verlauf angenäherten Verlauf auf. Das energieabsorbierende Bauteil gemäß der Erfindung kann so gestaltet werden, dass dieses zunächst auf einen kurzen Weg eine größere Kraft aufnehmen kann als ein energieabsorbierender Schaum und danach durch gezieltes Verformen und Versagen ein Verlauf erzielt werden kann, der näher an der idealen Kraft-Weg-Kurve 11 verläuft als die Kraft-Weg-Kurve 13 eines energieab- sorbierenden Schaums.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Bauteil in einer ersten Ausführungsform. Ein erfindungsgemäß ausgebildetes energieabsorbierendes Bauteil 5 ist aus einzelnen Profilelementen 17, 19 aufgebaut. Die Profilelemente 17, 19 sind erfindungsgemäß jeweils einseitig offen und in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet.
Die einzelnen Profilelemente 17, 19 können dabei zum Beispiel wie in Figur 3 darge- stellt u-förmig gestaltet sein. Die einzelnen Profilelemente 17, 19 weisen dabei jeweils einen ersten Schenkel 21 , einen zweiten Schenkel 23 und eine Basis 25 auf. Die Basis 25 kann dabei wie hier dargestellt zum Beispiel einen konvexen Bogen aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Basis 25 konkav gebogen ist oder eine beliebige andere Struktur, beispielsweise eine Wellenform oder eine Zickzackform, aufweist.
Die einzelnen gegenüberliegenden einseitig offenen Profilelemente 17, 19 sind erfindungsgemäß jeweils an ihren ersten Schenkeln 21 zu einem Band miteinander verbunden. Zusätzlich sind bei einer u-förmigen Gestaltung, wie diese in Figur 3 dargestellt ist, auch die zweiten Schenkel 23 jeweils miteinander zu einem Band verbunden. Mit den zweiten Schenkeln 23 ist das energieabsorbierende Bauteil 5, sofern es in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, mit dem Querträger 7 der Fahrzeugkarosserie verbunden. Im Fahrzeug ist das energieabsorbierende Bauteil 5 so ausgerichtet, dass eine auf das energieabsorbierende Bauteil 5 wirkende Kraft auf die ersten Schenkel 21 einwirkt. Durch das Einwirken der Kraft auf die ersten Schenkel 21 verformt sich zunächst das energieabsorbierende Bauteil 5 im Bereich der Basis 25. Hierbei werden die ersten Schenkel 21 in Richtung der zweiten Schenkel 23 gepresst. Nach Erreichen der Verformungsgrenze gibt die Basis 25 nach und das energieabsorbierende Bauteil 5 versagt durch Bruch. In Abhängigkeit vom eingesetzten Material ist es auch möglich, dass ein Versagen des Bauteils nicht eintritt sondern eine Verformung bis die ersten Schenkel 21 an den zweiten Schenkeln 23 anliegen.
Mit Pfeilen 27 ist in Figur 3 dargestellt, dass sich die jeweils einseitig offenen Profilelemente 17, 19 in Pfeilrichtung fortsetzen und auf diese Weise ein beliebig breites ener- gieabsorbierendes Bauteil 5 erzeugt werden kann.
Eine stabile Verbindung mit dem Querträger 7 wird erreicht, indem die zweiten Schenkel 23 jeweils einen Bund 29 aufweisen, mit dem diese den Querträger 7 umschließen. In Abhängigkeit vom gewünschten Versagensverhalten ist es möglich, die einzelnen Profilelemente 17, 19 individuell zu gestalten. So können alle Profilelemente eine gleiche Form aufweisen, wie diese in Figur 3 dargestellt ist, alternativ können die Profilelemente jeweils unterschiedlich breit gestaltet sein oder auch eine unterschiedliche Basis aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des energieabsorbierenden Bauteils 5 ist es möglich, dieses durch ein Spritzgussverfahren in einem Arbeitsgang herzustellen. Hierzu sind die Werkzeuge jeweils so gestaltet, dass diese jeweils Vorsprünge aufweisen, die der Innenkontur der einseitig offenen Profilelemente entsprechen und den Vorsprüngen jeweils Rücksprünge benachbart sind, die der Außenkontur des benachbarten Profilelements entsprechen. Die Werkzeuge werden gegenüberliegend angeordnet und aufeinander zubewegt, um die Form zu schließen. Hierbei greifen jeweils die Vorsprünge ineinander, sodass eine Verzahnung entsteht. Das Kunststoffmaterial kann dann eingespritzt werden. Zur Entnahme werden die Werkzeuge wieder ausei- nanderbewegt und das fertige Bauteil kann entnommen werden.
Um die Kraft-Weg-Kennlinie des energieabsorbierenden Bauteils 5 weiter zu beeinflussen ist es auch möglich, in den von den jeweils gegenüberliegenden einseitig offenen Profilelementen 17, 19 gebildeten Hohlraum einen Kern aus einem Polymerschaum einzubringen. Dieser kann zum Beispiel nach der Fertigung des energieabsorbieren- den Bauteils 5 eingeschoben werden. Alternativ ist es auch möglich, das energieabsorbierende Bauteil 5 in eine Form einzulegen und ein expandierbares Polymer einzuspritzen, das dann in der Form expandiert und aufschäumt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass durch das Aufschäumen in der Form eine stabile Verbindung mit dem energieabsorbierenden Bauteil 5 erzeugt werden kann.
Eine alternative Gestaltung eines energieabsorbierenden Bauteils 5 ist in Figur 4 dargestellt. Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Basis 25 der einzelnen Profilelemente 17, 19 jeweils durch einen Steg 31 und mit dem Steg 31 und der Basis 25 verbundenen Rippen 33 verstärkt ist. Der Steg 31 und die Rippen 33 sind dabei so gestaltet, dass diese ein Entfernen des Werkzeuges nicht behindern bzw. beim Entfernen des Werkzeuges nicht beschädigt werden. Hierzu sind die Stege 31 und die Rippen 33 vorzugsweise in Öffnungsrichtung des Werkzeuges mit parallelen Oberflächen oder mit abnehmendem Abstand der sich jeweils gegenüberliegenden Oberflächen gestaltet. Dies ermöglicht die Ausformung der Stege 31 und Rippen 33 ebenfalls in einen Arbeitsgang. Alternativ ist es auch möglich, die Stege 31 bzw. Rippen 33 nachträglich einzubringen. Bevorzugt ist jedoch eine Herstellung in einem Arbeitsgang.
Alternativ zu der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Gestaltung mit im Wesentlichen u-förmigen Profilelementen 17, 19 ist es alternativ auch möglich, die Profilelemente 17, 19 zum Beispiel s-förmig oder z-förmig zu gestalten. Die entsprechende Gestaltung ist beispielhaft in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Die Öffnungsrichtung des Werkzeuges ist dabei jeweils mit Pfeilen 35 dargestellt. In Figur 5 ist dabei ein z-förmiges Profil und in Figur 6 ein s-förmiges Profil dargestellt.
Zur Anpassung an die gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik ist es möglich, neben der Breite der einzelnen Profilelemente auch die Form der einzelnen Profilelemente zu variieren. So können zum Beispiel in einem energieabsorbierenden Bauteil 5 auch Profilelemente unterschiedlicher Geometrien, beispielsweise u-förmige, s-förmige und z- förmige Profilelemente in beliebiger Anordnung miteinander kombiniert werden. Auch ist es möglich, nur einen Teil der Profilelemente oder alle Profilelemente mit Stegen und Rippen zu verstärken.
Durch Änderung der Parameter, zum Beispiel der Breite und Form der Profilelemente lässt sich der Kraft-Weg-Verlauf über die gesamte Breite des Bauteils gezielt einstellen, wobei in unterschiedlichen Bereichen des Bauteils unterschiedliche Kraft-Weg- Verläufe gewünscht sein können. Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Stoßfänger
energieabsorbierendes Bauteil
Querträger
äußere Abdeckung
Kraft-Weg-Kurve
Kraft-Weg-Kurve für einen energieabsorbierenden Schaum
Kraft-Weg-Kurve für ein erfindungsgemäßes Bauteil
Profilelement
Profilelement
erster Schenkel
zweiter Schenkel
Basis
Verlängerung
Bund
Steg
Rippen

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Bauteils (5), aufgebaut aus an mindestens einer Seite einstückig zu einem Band miteinander verbundenen, jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten, einseitig offenen Profilelementen (17, 19) aus einem Polymermaterial, folgende Schritte umfassend:
(a) Schließen eines Formwerkzeugs, umfassend mindestens zwei Werkzeugprofile, die in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind und jeweils abwechselnd hervorstehende Bereiche als Negativbild der Innenseite eines Profilelements (17, 19) und zurückstehende Bereiche als Negativbild der Außenseite eines benachbarten Profilelements (19, 17) aufweisen, wobei die hervorstehenden Bereiche der gegenüberliegend angeordneten Werkzeugprofile in geschlossenem Zustand ineinandergreifen,
(b) Einspritzen des Polymermaterials in ein Werkzeug,
(c) Öffnen des Formwerkzeugs, indem die Werkzeugprofile in entgegengesetzter Richtung auseinander bewegt werden, und Entnahme des Bauteils.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein thermoplastisches Polymer oder ein durch Spritzguss verarbeitbares duroplastisches Polymer ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, Polymermaterial verstärkt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial zur Verstärkung Kurzfasern enthält.
Verfahren gemäß Anspurch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Borfasern, Metallfasern oder Kaliumtitanatfasern sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einen durch die Innenflächen der einseitig offenen Profilelemente definierten Raum ein geschäumter Kern eingebracht wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente (17, 19) an ihrer Innenseite jeweils mit Rippen (33) verstärkt sind.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch individuelle Gestaltung der einzelnen Profilelemente (17, 19) an eine ideale Kraft-Weg-Kurve angepasst wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung an die ideale Kraft-Weg-Kurve die Wandstärke und die Breite der Profilelemente
(17, 19) sowie die Anzahl der Rippen angepasst werden.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (5) ein kraftabsorbierendes Bauteil (5) in einem Stoßfänger (5) für ein Kraftfahrzeug (1) ist.
1 1. Energieabsorbierendes Bauteil, umfassend an mindestens einer Seite einstückig zu einem Band miteinander verbundene, jeweils in entgegengesetzter Richtung ausgerichtete, einseitig offene Profilelemente (17, 19).
12. Energieabsorbierendes Bauteil gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente s-förmig, z-förmig oder u-förmig gestaltet sind.
13. Energieabsorbierendes Bauteil gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Profilelementen mit unterschiedlicher Geometrie aufgebaut ist.
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