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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Abschirmgehäuseteils für Fahrzeuganwendungen und ein hiermit hergestelltes Abschirmgehäuseteil für Fahrzeuganwendungen.
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Diverse Fahrzeugkomponenten in einem Kraftfahrzeug bedürfen einer Abschirmung gegen elektrische und/oder magnetische Felder, um die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern. Die Abschirmung kann durch Abdecken oder Einhausen mittels wenigstens eines Abschirmgehäuseteils erfolgen. Bislang sind solche Abschirmgehäuseteile als beschichtete Blechformteile ausgeführt. Das Beschichten erfordert meist einen extra Arbeitsgang und ist nicht nur deswegen kostenintensiv. Ferner kann sich die Beschichtung ablösen oder korrodieren. Außerdem bestehen mitunter Bedenken hinsichtlich der Umweltverträglichkeit.
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Die
DE 38 10 598 A1 beschreibt die Herstellung von Formteilen zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung im Spritzgussverfahren unter Verwendung spezieller Metallfasern enthaltender Verbundstoffe. Fahrzeuganwendungen sind nicht beschrieben.
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An Abschirmgehäuseteile für Fahrzeuganwendungen werden allerdings besondere Anforderungen gestellt. Die Gehäuseteile sollen mitunter starke elektrische und/oder magnetische Felder, wie diese bspw. in Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb auftreten, abschirmen. Die Gehäuseteile sollen zudem leicht und rüttelfest sein und auch eine Korrosionsbeständigkeit, insbesondere im Hinblick auf Salz und Feuchtigkeit, aufweisen. Die Gehäuseteile sollen ferner über eine gute Haltbarkeit (entsprechend der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs) verfügen. Außerdem sollen die Gehäuseteile, selbst bei komplizierten Gehäuseformen, schnell und günstig herstellbar sein, was sowohl für Einzelteile (bspw. Prototypen) als auch für Serienteile (Kleinserie oder Großserie) gelten kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie ein Abschirmgehäuseteil für Fahrzeuganwendungen, das wenigstens eine der vorbeschriebenen Anforderung erfüllt, hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Abschirmgehäuseteil für Fahrzeuganwendungen. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Abschirmgehäuseteils für Fahrzeuganwendungen umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen eines flächigen, metallhaltigen und umformbaren Ausgangsmaterials;
- – Einlegen des Ausgangsmaterials in ein Formwerkzeug und Umformen zu einem räumlich geformten Abschirmelement;
- – Stabilisieren des Abschirmelements, wozu dieses noch im Formwerkzeug mit Kunststoffmaterial beschichtet oder in Kunststoffmaterial eingebettet wird.
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Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellendes bzw. hergestelltes Abschirmgehäuseteil für Fahrzeuganwendungen kann auch als Fahrzeugabschirmgehäuseteil bezeichnet werden. Das Abschirmelement kann auch als Schirm bezeichnet werden.
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Die einzelnen Verfahrensschritte und Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt teilautomatisiert und insbesondere vollautomatisiert ausgeführt.
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Unter einem flächigen, metallhaltigen und umformbaren Ausgangsmaterial wird ein vorgefertigtes flaches bzw. blattartiges Erzeugnis mit einer ebenen bzw. zweidimensionalen Erstreckung verstanden, das im Wesentlichen über seiner gesamten Fläche elektrisch leitfähiges Metall zur Erreichung einer Abschirmwirkung aufweist. Dieses Ausgangsmaterial kann durch Drapieren (d. h. durch Ablegen auf einer räumlich geformten Werkzeugfläche, gegebenenfalls unter Aufbringung von Streck- und Zugkräften) und/oder durch Aufbringen von Formkräften (wie bspw. beim Tiefziehen, Streckziehen oder Falten, s. u.) in eine räumliche bzw. dreidimensionale Form überführt werden.
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Das Ausgangsmaterial kann vollmetallisch sein, bspw. ein Metallblech (z. B. mit einer Blechdicke von bis zu 0,5 mm), eine Metallfolie (s. u.) oder ein Metalltextil (s. u.). Das Ausgangsmaterial kann auch ein Mischmaterial, insbesondere ein Metallmischtextil (s. u.) mit nicht-metallischen Bestandteile sein, wobei das Metall bspw. als metallische Lage, metallische Beschichtung, Metallfasern bzw. -drähte, Metallpartikel oder dergleichen enthalten ist. Das Ausgangsmaterial kann sowohl einlagig sein als auch einen mehrlagigen Aufbau aufweisen. Bei einer der Lagen kann es sich um das zum Beschichten oder Einbetten benötigte Kunststoffmaterial handeln, bspw. in Gestalt einer Kunststofffolie. Zwischen wenigstens zwei Lägen eines mehrlagigen Aufbaus kann eine Haftvermittlerschicht aufgebracht sein.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Ausgangsmaterial um einen einzelnen Zuschnitt aus einem flächigen Halbzeug, bspw. einem Blech (Metallblech), einer Folie (Metallfolie) oder einem metallhaltigen Textil (Metalltextil oder Metallmischtextil). Das Blech oder die Folie kann oberflächenbehandelt und/oder weichgeglüht sein. Das Ausgangsmaterial kann auch aus mehreren Zuschnitten aus demselben flächigen Halbzeug oder aus unterschiedlichen flächigen Halbzeugen gebildet sein, die übereinander zu einem mehrlagigen Aufbau und/oder überlappend nebeneinander (s. u.) angeordnet sind.
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Bevorzugt ist das flächige, metallhaltige und umformbare Ausgangsmaterial aus einer Metallfolie, einem Metalltextil und/oder einem Metallmischtextil gebildet. Eine Metallfolie ist ein dünnes Blech, das vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 100 μm und insbesondere von nicht mehr als 50 μm aufweist. Ein Metalltextil ist insbesondere ein aus Metalldrähten bzw. -fäden gebildetes Metallgeflecht oder dergleichen, das insbesondere drapierfähig, d. h. ohne nennenswerte Umformkräfte umformbar ist. Ein Metallmischtextil ist insbesondere ein Metalldrähte oder Metallfasern enthaltendes Textil (d. h. Kombination von Metalldrähten bzw. -fasern mit anderen Fasern), wie z. B. ein Gewebe, Gewirke, Gestricke, Geflecht, Vlies oder Filz, oder ein metallisch beschichtetes Textil (mit Metall beschichtetes textiles Trägermaterial), das insbesondere drapierfähig ist. Das Ausgangsmaterial kann eine Dicke von 0,02 mm bis 5,00 mm aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird das Ausgangsmaterial in ein Formwerkzeug eingelegt und zu einem Abschirmelement bzw. Schirm umgeformt. Noch im Formwerkzeug wird das Abschirmelement, das selbst nicht-formstabil oder nur bedingt formstabil sein kann, zwecks Stabilisierung und Formerhaltung ein- oder beidseitig mit Kunststoffmaterial beschichtet oder in Kunststoffmaterial (Kunststoffmatrixmaterial) eingebettet. Hierzu ist das Formwerkzeug selbsterklärend mit einer geeigneten Kavität ausgebildet. Die Beschichtung oder Einbettung des Abschirmelements erfolgt bevorzugt vollflächig, wobei wenigstens eine Stelle bzw. Freistelle ein- oder beidseitig ausgespart werden kann, an der später die elektrische Kontaktierung erfolgen kann, bspw. durch Verbindung mit der Fahrzeugmasse oder durch Verbindung mit den Abschirmelementen anderer Abschirmgehäuseteile, die bspw. ein mehrteiliges Abschirmgehäuse bilden.
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Bei dem Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffmatrixmaterial kann es sich sowohl um einen thermoplastischen Kunststoff als auch um einen duroplastischen bzw. duromeren Kunststoff handeln. Das Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffmatrixmaterial kann außerdem elektrisch leitfähig sein.
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Das Kunststoffmaterial kann im Formwerkzeug bzw. in dessen Kavität aufgeschäumt werden, insbesondere durch physikalisches oder chemisches Schäumen, so dass das Abschirmelement mit Kunststoffschaum beschichtet oder in Kunststoffschaum eingebettet wird. Das Abschirmgehäuseteil weist somit ein geringes Gewicht auf. Ähnliche Effekte können durch Einbettung von Hohlkörper, insbesondere metallischen oder metallisch beschichteten Hohlkörpern, in das Kunststoffmaterial erzielt werden.
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Das Ausgangsmaterial kann mehrere mit Überlappung angeordnete Zuschnitte, insbesondere aus einer Metallfolie, einem Metalltextil und/oder einem Metallmischtextil, umfassen, wobei die Überlappung zwischen den Zuschnitten beim Umformen erhalten bleibt. Durch die überlappende Anordnung sind benachbarte Zuschnitte elektrisch leitend verbunden, wobei diese elektrisch leitende Verbindung beim gemeinsamen Umformen zum Abschirmelement erhalten bleibt. Nach dem Umformen wird die überlappende Anordnung durch das Kunststoffmaterial dauerhaft fixiert.
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Das zweidimensionale Ausgangsmaterial kann im Formwerkzeug bspw. durch Tiefziehen (gegebenenfalls auch Streckziehen) oder Falten (gegebenenfalls auch Biegen) zum dreidimensionalen Abschirmelement umgeformt werden. Das Tiefziehen kann in an und für sich bekannter Weise mithilfe eines Stempels und einer Matrize erfolgen. Der Stempel kann segmentiert ausgebildet sein, wobei die einzelnen Stempelsegmente zeitlich versetzt und/oder mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegbar sind, um ein verwerfungs- und knitterfreies Umformen zu ermöglichen. Das Falten kann, in analoger Weise zum Biegen, durch definiertes Umklappen (Abkanten bzw. Aufstellen) von Flächenanteilen mithilfe wenigstens einer Schwenkbacke oder dergleichen erfolgen. Das Formwerkzeug ist jeweils entsprechend ausgebildet und in einer geeigneten Vorrichtung bzw. Maschine (bspw. einer Presse oder Biegemaschine) eingebaut.
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Während des Umformens, insbesondere beim Tiefziehen, kann das flächige Ausgangsmaterial mithilfe wenigstens eines Niederhalters, wenigstens eines Klemm- bzw. Spannrahmens, wenigstens eines Schiebers und/oder mehrerer Stifte im Formwerkzeug bzw. dessen Kavität festgehalten werden. Ein Niederhalter oder Klemm- bzw. Spannrahmen ist für gewöhnlich außerhalb der Kavität angeordnet, so dass das Ausgangsmaterial im Randbereich festgehalten bzw. lagefixiert und dort nicht mit Kunststoffmaterial benetzt werden kann, so dass der Randbereich in einem nachfolgenden Arbeitsgang noch abgetrennt werden muss. Stifte (auch Nadeln, Dorne und dergleichen) sowie Schieber können innerhalb der Kavität angeordnet werden, wodurch das Ausgangsmaterial vollständig mit Kunststoffmaterial benetzt bzw. umgossen werden kann und keine nachfolgende Trennoperation mehr erforderlich ist, so dass das Abschirmgehäuseteil nach der Entnahme aus dem Formwerkzeug im Wesentlichen verbaufertig sein kann. Die Stifte, Schieber und dergleichen können federnd im Formwerkzeug bzw. dessen Kavität gelagert sein, bspw. derart, dass diese beim Schließen des Formwerkzeugs (d. h. beim Werkzeugschließvorgang) voreilen und dabei zunächst das flächige Ausgangsmaterial festklemmen bzw. fixieren und dann während der weiteren Schließbewegung zurückweichen können. Ein Schieber kann außer der klemmenden Funktion auch eine umformende Funktion haben und bspw. zur Aufbringung von Umform- oder Faltkräfte auf das flächige Ausgangsmaterial ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist der Schieber so ausgebildet und im Formwerkzeug angeordnet, dass damit auch eine Freistelle für die spätere elektrische Kontaktierung des Abschirmgehäuseteils bzw. dessen Abschirmelements erzeugt werden kann. Der Schieber hat somit eine Doppelfunktion, indem dieser die Halterung des flächigen Ausgangsmaterials im Formwerkzeug bzw. dessen Kavität ermöglicht und gleichzeitig der Ausbildung einer Freistelle dient.
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Das Kunststoffmaterial kann vor dem Umformen in das Formwerkzeug bzw. dessen Kavität eingebracht werden. Das Kunststoffmaterial kann bspw. bereits im Ausgangsmaterial enthalten sein, z. B. als wenigstens eine Lage innerhalb eines mehrlagigen Aufbaus, wie bereits erläutert (s. o.). Die wenigstens eine Kunststofflage kann z. B. in Gestalt einer Folie in den mehrlagigen Aufbau eingebracht oder durch Schichtextrusion (z. B. in einer Beschichtungsanlage) auf ein Trägermaterial, bspw. ein Blech, eine Folie, ein Metalltextil oder ein Metallmischtextil, erzeugt werden. Das Kunststoffmaterial kann auch vorab in die Kavität des Formwerkzeugs eingebracht werden. Dabei kann es sich sowohl um einen thermoplastischen als auch um einen duroplastischen Kunststoff (der z. B. als aktivierbares Mehrkomponentensystem bereitgestellt wird) handeln, der bspw. vor dem Umformen des Ausgangsmaterials, insbesondere vor dem Einlegen. in das Formwerkzeug bzw. dessen Kavität, während dem Umformen und/oder nach dem Umformen erwärmt wird, schmilzt bzw. verflüssigt und anschließend (warm oder kalt) aushärtet. Das Formwerkzeug kann hierfür mit einer Heizeinrichtung ausgebildet sein. Für duroplastische Kunststoffe sind auch andere Aushärtungsmechanismen möglich, wie bspw. eine UV-Härtung.
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Das Kunststoffmaterial kann auch während des Umformens und/oder nach dem Umformen in das Formwerkzeug bzw. dessen Kavität eingebracht werden, insbesondere durch Einspritzen. Dabei kann es sich sowohl um einen thermoplastischen Kunststoff (Thermoplast-Spritzgießen) als auch um einen duroplastischen Kunststoff (Duroplast-Spritzgießen, bspw. RTM-Verfahren), der dann durch geeignete Härtungsmechanismen aushärtet, handeln.
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Das im Formwerkzeug bzw. dessen Kavität befindliche Kunststoffmaterial kann durch Druck, bspw. durch Pressdruck oder Einspritzdruck, verteilt werden. Eine andere Möglichkeit bietet das Rotationsformen, bei dem das Kunststoffmaterial durch Werkzeugrotation in der Kavität verteilt wird.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorgehensweisen sind prinzipiell auch miteinander kombinierbar. Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials kann das Formwerkzeug geöffnet und das Abschirmgehäuseteil entnommen werden. Gegebenenfalls ist noch wenigstens eine Trennoperation erforderlich, wie bereits erläutert (s. o.). Idealerweise ist keine Nachbearbeitung vorgesehen, d. h., das entformte Abschirmgehäuseteil ist im Wesentlichen verbau- bzw. gebrauchsfertig.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Abschirmgehäuseteil für Fahrzeuganwendungen.
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2 veranschaulicht in zwei Schnittdarstellungen die Herstellung des Abschirmgehäuseteils aus 1.
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3 zeigt in einer Schnittdarstellung die Verwendung eines Klemmschiebers zur Ausbildung einer Freistelle für die elektrische Kontaktierung des Abschirmgehäuseteils aus 1.
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Das in 1 gezeigte wannenartige Abschirmgehäuseteil 100 weist ein Abschirmelement 110 auf, das vollflächig mit Kunststoffmaterial bzw. einer Kunststoffschicht 120 beschichtet ist, wobei es sich auch um einen Kunststoffschaum handeln kann. Das funktionale Abschirmelement 110 ist durch die Kunststoffschicht 120 formstabilisiert und auch vor korrosiven Einwirkungen geschützt. Je nach Verwendungszweck kann das Abschirmelement 110 auch beidseitig mit Kunststoffmaterial beschichtet oder vollständig in Kunststoffmaterial bzw. Kunststoffschaum eingebettet sein. Das Bezugszeichen 130 bezeichnet eine Freistelle für die elektrische Kontaktierung des Abschirmelements 110. Die Freistelle 130 ist hier beispielhaft am Außenrand angeordnet, kann sich jedoch auch an einer inneren (d. h. nicht-randseitigen) Stelle befinden.
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Mit Bezug auf 2 wird nachfolgend ein mögliches Verfahren zur Herstellung des Abschirmgehäuseteils 100 erläutert. Herstellungsvarianten und andere Herstellungsmöglichkeiten sind oben beschrieben.
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2 zeigt ein in einer Presse oder dergleichen eingebautes Formwerkzeug
200 mit einem segmentierten Stempel
210, einer Matrize
220 und einem Klemmrahmen
230. Zwischen Stempel
210 und Matrize
220 ist eine Kavität (Formhohlraum)
240 ausgebildet. Die Herstellung des Abschirmgehäuseteils
100 erfolgt durch Umformen eines flächigen, metallhaltigen und umformbaren Ausgangsmaterials
10 zu einem Abschirmelement
110, wobei das Abschirmelement
110 in der Kavität
240 verbleibt und mit einem Kunststoffmaterial beschichtet oder in Kunststoffmaterial eingebettet wird. Die Herstellung erfolgt also in einem Arbeitsgang (One-Shot-Technologie), was kostengünstig ist und kurze Zykluszeiten ermöglicht. Zudem entsteht ein leichter und sehr stabiler Werkstoffverbund. Das Abschirmgehäuseteil
100 verfügt wegen des flächigen, metallhaltigen Ausgangsmaterials
10 vollflächig, d. h. an jeder Stelle (auch in herstellungstechnisch schlecht zugänglichen Bereichen), über sehr gute Abschirmeigenschaften, da es bei der Herstellung nicht zu Entmischungseffekten oder Ungleichmäßigkeiten oder sonstigen Beeinträchtigungen der Abschirmwirkung kommen kann, wie in der
DE 38 10 598 A1 beschrieben.
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2a zeigt den Beginn des Umformvorgangs. Die Segmente des Stempels 210 führen eine definierte Schließbewegung (in Richtung der Matrize 220) aus, wobei einzelne Stempelsegmente bspw. vor- oder nacheilen können. Im Randbereich wird das Ausgangsmaterial 10 im Klemmrahmen 230 festgehalten, um ein unkontrolliertes Einrutschen in die Kavität 240 zu verhindern. Noch während des Umformvorgangs wird durch wenigstens eine im Formwerkzeug 200 ausgebildete Einspritzöffnung 250 ein Kunststoffmaterial bzw. eine Kunststoffmasse K in die Kavität 240 eingespritzt, wie in 2b gezeigt. Hierbei kann es sich sowohl um einen thermoplastischen als auch um einen duroplastischen Kunststoff handeln. Während der weiteren Schließbewegung verteilt sich das Kunststoffmaterial K auf dem Abschirmelement 110, das hierbei gegen die Wirkfläche des Stempels 210 gedrückt wird, und bildet die Kunststoffschicht 120 aus. Die Kavität 240 des Formwerkzeugs 200 weist in 2 nicht gezeigte Dichtungseinrichtungen auf. Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials K wird das Formwerkzeug 200 geöffnet und das Abschirmgehäuseteil 100 entformt. In einem nachfolgenden Arbeitsgang wird noch der Randbereich abgetrennt.
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Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass das Ausgangsmaterial 10 mehrere mit Überlappung angeordnete Zuschnitte umfasst und die Überlappung beim Umformen und Kunststoffbeschichten erhalten bleibt, was in 1 mit dem Bezugszeichen A veranschaulicht ist.
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3 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einem anderen Formwerkzeug 200, bei dem das Ausgangsmaterial 10 nicht mit einem außerhalb der Kavität 240 befindlichen Klemmrahmen 230 festgehalten wird, sondern mithilfe in der Kavität 240 angeordneter Schieber bzw. Klemmschieber 260, die federnd gelagert sind. Die Schieber 260 sind lediglich beispielhaft matrizenseitig angeordnet. Anstelle der Federeinrichtung 270 kann auch ein Aktuator (Stellantrieb) vorgesehen sein. Anders als dargestellt, kann die Kavität 240 auch so ausgebildet sein, dass am Rand des Ausgangsmaterials 10 ein mit Kunststoffmaterial K auffüllbarer Spalt vorhanden ist, so dass das Ausgangsmaterial 10 bzw. das Abschirmelement 110 nicht nur vorder- und/oder rückseitig, sondern auch randseitig umgossen bzw. umspritzt werden kann. Das mit diesem Formwerkzeug 200 hergestellte Abschirmgehäuseteil 100 muss nach dem Entformen nicht mehr beschnitten werden.
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Ferner ist der in 3 gezeigte Schieber 260 so ausgebildet und angeordnet, dass damit nicht nur das Ausgangsmaterial 10 in der Kavität 240 geklemmt bzw. lagefixiert, sondern auch eine Freistelle 130 für die elektrische Kontaktierung des Abschirmelements 110 erzeugt wird. Dort wo der Schieber 260 gegen das Ausgangsmaterial 10 bzw. das daraus geformte Abschirmelement 110 drückt, ist keine Benetzung mit Kunststoffmasse bzw.
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Kunststoffmaterial K möglich, so dass schließlich die Kunststoffschicht 120 des Abschirmgehäuseteils 100 eine Freistelle 130 mit Zugang zum Abschirmelement 110 aufweist, wie in 1 gezeigt. Die Freistelle 130 wird also gleich mit hergestellt und muss nicht durch spätere Nacharbeit erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3810598 A1 [0003, 0031]