DE102009040934A1

DE102009040934A1 - Kunststoffformteil für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009040934A1
Application number: DE102009040934A
Authority: DE
Inventors: Ralf Gaudig; Klaus Kuhlmann; Werner Berhard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-12
Also published as: GB201015056D0; US20110086203A1; US8652611B2; CN102019968A; CN102019968B; DE102009040934B4; GB2473547A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bionisch ausgelegtes Kunststoffformteil (10), insbesondere Träger, für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Niederlastbereich (1) zur Aufnahme geringerer Lasten, der in Dünnwandtechnik ausgebildet ist; und wenigstens einem Hochlastbereich (2) zur Aufnahme größerer Lasten, der in Kunststoffschaumtechnik ausgebildet und mit wenigstens einem Niederlastbereich (1) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kunststoffformteil für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kunststoffformteile, i. e. aus Kunststoff urgeformte oder umgeformte und gegebenenfalls, beispielsweise spanend, nachberabeitete Bauteile, werden in vielfacher Weise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise als Träger oder Verkleidung, etwa in Form von Instrumententrägern, Innenraumverkleidungen oder dergleichen.
Aus der DE 36 34 559 C1 ist es bekannt, ein Teil eines mehrteiligen Instrumententrägers als Kunststoffspritzteil komplett in Dünnwandtechnik auszuführen. Durch diese Technik können vorteilhaft Bauteile, die keine größeren Lasten aufnehmen müssen, mit Wandstärken im Bereich eines Millimeters dargestellt werden, um Gewicht und Material einzusparen.
Andererseits ist aus der DE 199 37 000 A1 eine Kraftfahrzeug-Türinnenverkleidung bekannt, die vollständig in Kunststoffschaumtechnik mit einem Schaumkern geringer Dichte und einer kompakten Außenhaut im Thermoplast-Schaumguss-Verfahren („TSG”) hergestellt ist. Die DE 296 23 807 U1 schlägt eine Sonnenschutzblende vor, die durch Aufschäumen mit Dampf ebenfalls komplett in Kunststoffschaumtechnik ausgeführt ist.
Aus der insoweit gattungsfremden DE 103 57 907 B4 ist es bekannt, die Fachwerkstruktur einer hybriden Türsäule aus einer Eisen- und einer Leichtmetalllegierung bionisch zu optimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Kunststoffformteil für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden die als solche bereits bekannte Dünnwandtechnik und Kunststoffschaumtechnik in einem Kunststoffformteil miteinander kombiniert, indem ein oder mehrere Niederlastbereiche, die im Betrieb höchstens geringe Lasten aufnehmen müssen, in Dünnwandtechnik ausgebildet und mit einem oder mehreren in Kunststoffschaumtechnik ausgebildeten Hochlastbereichen verbunden sind, in die im Betrieb größere Lasten eingeleitet werden.
Solche in Kunststoffschaumtechnik ausgebildete Hochlastbereiche, die einen ein- oder mehrteiligen Schaumstoffkern aufweisen, der in einer bevorzugten Ausführung ganz oder teilweise mit einer Kunststoffschale umhüllt ist, wobei ein von der Kunststoffschale definierter Innenraum ganz oder teilweise mit dem Schaumstoffkern ausgefüllt sein kann, weisen aufgrund der geringeren Dichte des durch Treibmittel und/oder Fluide, insbesondere Luft oder Dampf, aufgeschäumten Kerns im Verhältnis zu ihrem Volumen ein reduziertes Gewicht auf, während sie andererseits aufgrund ihrer im Verhältnis zu ihrem Gewicht großen Außenabmessungen eine höhere Steifigkeit realisieren. Vorteilhafterweise kann der Schaumkern zudem schwingungsdämpfend und insbesondere schallabsorbierend wirken.
Durch die Kombination beider Techniken wird es somit erfindungsgemäß möglich, Hochlastbereiche gezielt zu verstärken bzw. das Gewicht von Niederlastbereichen gezielt zu reduzieren, wobei eine geringere Last im Sinne der vorliegenden Erfindung auch völlige Lastfreiheit umfasst.
Mit besonderem Vorteil werden beide Techniken bei bionisch ausgelegten Kunststofformteilen kombiniert, die beispielsweise nach dem CAO-Verfahren („Computer Aided Optimization”) zur Formoptimierung oder dem SKO-Verfahren zur Topologieoptimierung strukturoptimiert sind. Dabei wird das Wachstumsverhalten von biologischen Kraftträgern wie zum Beispiel Bäumen oder Knochen nachgebildet, indem das zu optimierende Bauteil gemäß der biologischen Wachstumsregel „Anlagern von Material an höher belasteten Stellen und/oder Entfernung von Material an niedriger belasteten Stellen” virtuell näherungsweise so wächst, wie es beispielsweise ein Knochen tun würde, wenn er die Funktion des Bauteils übernehmen müsste. Dies kann zum Abbau von Spannungsspitzen und damit zur Erhöhung der Festigkeit eingesetzt werden.
Die Optimierung kann für das gesamte Bauteil oder nur für kritische Bereiche durchgeführt werden. Vorzugsweise werden die Spannungen in dem zu optimierenden Bauteil bzw. Bereich mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells (FEM) ermittelt, indem in einer FEM-Analyse die Spannungen berechnet, auf deren Basis dann beispielsweise die biologische Wachstumsregel simuliert und eine daraus resultierende Wachstumsverschiebung bestimmt wird. Im nächsten Schritt kann eine Netzkorrektur durchgeführt werden, um das FEM-Netz an die neue Kontur anzupassen. Dieser Wachstumszyklus wird vorzugsweise in mehreren Iterationen für die jeweils modifizierte Struktur durchgeführt.
In einer erfindungsgemäß bionisch ausgelegten, insbesondere strukturoptimierten Kunststoffformteil können sich somit die in Kunststoffschaumtechnik ausgebildeten Hochlastbereiche, insbesondere rippenförmig, im Wesentlichen längs der Lastpfade erstrecken und dort die wesentlichen Lasten aufnehmen und weiterleiten, während in Dünnwandtechnik ausgebildete Niederlastbereiche diese Lastpfade miteinander zu einem wenigstens bereichsweise geschlossenen Bauteil verbinden können. Zusätzlich können auch ein oder mehrere Mittellastbereiche zur Aufnahme mittlerer Lasten in herkömmlicher Technik, insbesondere im Spritzguss mit größeren Wandstärken, beispielsweise von 3 Millimetern oder mehr, ausgebildet und mit Nieder- und/oder Hochlastbereichen verbunden sein. Hierdurch kann die Struktur noch besser an die Belastung angepasst und so das Gewicht reduziert bzw. die Festigkeit und/oder Steifigkeit erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführung werden zwei oder mehr Nieder-, Mittel- und/oder Hochlastbereiche integral miteinander, vorzugsweise mit demselben Werkzeug, insbesondere mit derselben Form, hergestellt. Dies kann insbesondere in einem mehrstufigen Verfahren erfolgen, bei dem zunächst Bereiche in einer Technik und anschließend Bereiche in einer anderen Technik hergestellt werden.
So können beispielsweise ein oder mehrere Niederlastbereiche mittels Strangpressen, Tiefziehen und/oder Verdichten hergestellt werden. Vorzugsweise werden Niederlastbereiche mittels Spritzgießen hergestellt, wobei beispielsweise über Zwischenkühlung, erhöhten Einspritzdruck, balanciertem Anguss und/oder die Verwendung von Kunststoff mit höherer Fließfähigkeit bevorzugte Wandstärken von höchstens 1,2 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm und besonders bevorzugt von höchstens 0,9 mm erreicht werden können. Höhere Einspritzdrücke ermöglichen verkürzte Einspritzzeiten von vorzugsweise weniger als 1 Sekunde, bedingen andererseits steifere Formen, verglichen jeweils mit herkömmlichem Spritzguss mit größeren Wandstärken von wenigstens 3 mm.
In Hochlastbereichen können anschließend oder parallel beispielsweise durch Einspritzen von Fluid, insbesondere Luft und/oder Dampf, und/oder durch Einspritzen von Kunststoffschaum Schaumkerne hergestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierzu Kunststoff auch expandiert werden, etwa durch exotherme und/oder endotherme Treibmittel. Es ist auch möglich, den zunächst hergestellten Schaumstoffkern anschließend mit der Kunststoffschale zu umspritzen, die sich dann beispielsweise in Dünnwandtechnik in Niederlastbereiche fortsetzen kann.
Zusätzlich oder alternativ zu integral miteinander in unterschiedlicher Technik ausgebildeten Bereichen können zwei oder mehr Bereiche auch stoffschlüssig miteinander verbunden werden, zum Beispiel verschweißt und/oder verklebt.
Insbesondere in Dünnwandtechnik ausgebildete Niederlastbereiche mit ihrer aufgrund der Wandstärke geringen Festigkeit und Hochlastbereiche, die höhere Lasten aufnehmen, sind in einer bevorzugten Ausführung aus faserverstärktem Kunststoff, beispielsweise glasfaserverstärktem oder kohlefaserverstärktem Kunststoff (GFK, CFK) hergestellt.
Neben dem Spritzgießen können erfindungsgemäße Kunststoffformteile vorzugsweise auch durch Extrusion, Blasformen, Folienblasen und/oder Kalandrieren hergestellt werden. Als Kunststoffschaumtechnik kann insbesondere thermoplastischer Schaumguss (TSG), MuCell oder dergleichen verwendet werden.
Durch die Dünnwandtechnik und die mit ihr kombinierte Kunststoffschaumtechnik können, insbesondere durch bionische Auslegung, vorteilhafterweise Einfallstellen, etwa durch Schwund bei der Abkühlung, Bindenähte durch das Aufeinandertreffen von Schmelzenströmen und dergleichen reduziert oder vermieden werden. Daher kann ein erfindungsgemäßes Kunststoffformteil vorteilhafterweise als Verkleidung bzw. Verblendung eine integral ausgebildete Sichtoberfläche aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine separate Deckschicht vorgesehen sein, die beispielsweise aus einem weicheren Material bestehen und mit dem Kunststoffformteil verklebt sein kann.
Bevorzugtes Material für ein erfindungsgemäßes Kunststoffformteil ist ein, gegebenenfalls faserverstärktes, Thermoplast wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) oder ein Polyblend hiervon.
Ein erfindungsgemäßes Kunststoffformteil kann insbesondere als Träger, etwa als Instrumententräger, und/oder als Verkleidung wie beispielsweise als Innentürverkleidung dienen. Vorzugsweise wird es als Innenraumverkleidungsteil eingesetzt.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1 ein Kunststoffformteil nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht; und
2 das Kunststoffformteil nach 1 längs der dortigen Schnittlinie II-II.
1 zeigt in der Draufsicht einen Kunststoffträger 10 mit einem rechteckförmigen Außenrahmen 3, der in normaler Spritzgießtechnik mit einer Wandstärke von 3 mm hergestellt ist und nur mittlere Lasten aufnehmen muss, die aus der Anbindung des Trägers 10 an seinem Rand resultieren.
Integral mit diesem rahmenförmigen Mittellastbereich 3 sind in Dünnwandtechnik drei Niederlastbereiche 1 mit einer minimalen Wandstärke von etwa 1 mm hergestellt, indem beim Spritzgießen der Prozess entsprechend geführt und ein entsprechendes Werkzeug verwendet wird.
Der Träger 10 soll in der Mitte seines oberen Randes eine größere Last aufnehmen und diese an seinen beiden äußeren unteren Ecken abstützen. Eine bionische Strukturoptimierung ergibt eine Materialverdickung 2 längs des Y-förmigen Lastpfades dieser Betriebshauptlast. Diese Materialverdickung 2 ist, wie insbesondere im ausschnittsweisen Querschnitt der 2 erkennbar, in Kunststoffschaumtechnik hergestellt, indem während bzw. nach der Herstellung des Rahmenbereichs 3 und des Niederlastbereichs 1 durch Einspritzen eines Treibmittels ein poriger Kunststoffschaumkern 2.2 erzeugt wird, der an seinem Außenumfang von einer Kunststoffschale 2.1 umhüllt wird. Größe und Porigkeit des Schaumstoffkerns 2.2 können ebenso wie die Wandstärke der durch diesen an die Spritzform gedrängten und dort verdichteten Kunststoffschale 2.1 über die Prozessparameter wie Einfüllzeiten, Temperaturführung, Nachdrücken und dergleichen vorgegeben werden, die Form des Schaumstoffkerns 2.2 und damit des rippenförmigen Hochlastbereichs 2 längs des Y-förmigen Lastpfades durch das Spritzgusswerkzeug. Bezugszeichenliste

1 Niederlastbereich

2 Hochlastbereich

2.1 Kunststoffschale

2.2 Schaumstoffkern A

3 Mittellastbereich

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

DE 3634559 C1 [0003]
DE 19937000 A1 [0004]
DE 29623807 U1 [0004]
DE 10357907 B4 [0005]

Claims

Kunststoffformteil (10), insbesondere Träger, für ein Kraftfahrzeug, mit: wenigstens einem Niederlastbereich (1) zur Aufnahme geringerer Lasten, der in Dünnwandtechnik ausgebildet ist; und wenigstens einem Hochlastbereich (2) zur Aufnahme größerer Lasten, der in Kunststoffschaumtechnik ausgebildet und mit wenigstens einem Niederlastbereich (1) verbunden ist.
Kunststoffformteil (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einem Mittellastbereich (3) zur Aufnahme mittlerer Lasten, der in einer anderen als der Dünnwandtechnik und der Kunststoffschaumtechnik ausgebildet und mit wenigstens einem Niederlastbereich (1) und/oder mit wenigstens einem Hochlastbereich (2) verbunden ist.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in unterschiedlicher Technik ausgebildete Bereiche (1, 2, 3) integral miteinander hergestellt sind.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bereiche stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich (1) aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederlastbereich (1) eine minimale oder mittlere Wandstärke von höchstens 1,2 mm, vorzugsweise von höchstens 1 mm, insbesondere von höchstens 0,9 mm aufweist.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochlastbereich (2) rippenförmig ausgebildet ist.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochlastbereich (2) einen Schaumstoffkern (2.2) und eine diesen wenigstens teilweise umhüllende Kunststoffschale (2.1) aufweist.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Hochlastbereich (2) im Wesentlichen längs eines Lastpfades erstreckt.
Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine integral ausgebildete Sichtoberfläche oder eine separate Deckschicht aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche (1, 2, 3) bionisch ausgelegt, insbesondere strukturoptimiert werden.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlicher Technik ausgebildete Bereiche (1, 2, 3) mit demselben Werkzeug, insbesondere derselben Form hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlicher Technik ausgebildete Bereiche (1, 2, 3) in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederlastbereich (1) mittels Strangpressen, Tiefziehen, Verdichten, Spritzgießen mit Zwischenkühlung, bei erhöhtem Druck, mit verkürzten Einspritzzeiten, in einer steiferen Form, mit balanciertem Anguss und/oder aus einem Kunststoff mit höherer Fließfähigkeit hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hochlastbereich (2) mittels Einspritzen von Fluid und/oder Kunststoff und/oder mittels Expandieren von Kunststoff ein Kunststoffschaumkern (2.2) hergestellt wird.