DE69710341T2

DE69710341T2 - Energie absorbierende hilfsstruktur

Info

Publication number: DE69710341T2
Application number: DE69710341T
Authority: DE
Inventors: Michael Ashmead; Paul Blauberger; Werner Lehr; Ralf Passmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Cellbond Composites Ltd
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Cellbond Composites Ltd
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: EP0921924B1; US6387200B1; EP0921924A1; ATE212898T1; DE69710341D1; WO1998006553A1; AU3947897A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf energieabsorbierende Opferstrukturen, das heißt Crash-Pads zur Verwendung beispielsweise in Fahrzeugen zum Schutz von Personen, und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen. Unter energieabsorbierenden Opferstrukturen werden hier solche Strukturen verstanden, die bei der Absorption von Aufprallenergie permanent verformt werden.

AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG

Die Schaffung von Tafeln, die aus einer Zellmatrize, zum Beispiel einer honigwabenartigen Zellstruktur, bestehen bzw. eine solche aufweisen, ist bereits bekannt. Ebenfalls bekannt ist die Anordnung der Zellen solcher Matrizen derart, daß sich die Achsen der Zellen im allgemeinen senkrecht zur Ebene der Tafel bzw. eines anderen Gegenstands erstrecken, wobei die Zellen offene Enden haben. Oft werden solche Zellmatrizen als Kern in einer Tafel verwendet, und die offenen Enden der Zellen werden durch strukturelle Häute, zum Beispiel dünne Platten, geschlossen, die auf die einander gegenüberliegenden Seiten des Kerns aufgetragen werden.
Weiterhin bekannt ist die Verwendung von Zellstrukturen, zum Beispiel Honigwabenstrukturen, aus Aluminiumfolie oder -blech zum Zwecke der Energieabsorption, zum Beispiel der Absorption von Aufprallenergie. Solche Strukturen können Energie wirksam absorbieren, weisen jedoch bei der Verwendung in Fahrzeugen Nachteile auf. Dazu gehören eine starke Geräuschübertragung, eine Neigung zum Rattern und eine schwierige Handhabbarkeit. So können die scharfen Kanten solcher Honigwabentafeln bei der Herstellung, beim Transport und beim Einbau solcher Strukturen Personen verletzen, und die Strukturen können bei diesen Gelegenheiten auch leicht unabsichtlich beschädigt werden.
Weiterhin bekannt ist der Versuch, die Zellmatrizentafeln mit einem Hartschaummaterial zu füllen, indem der Schaum und die Tafel zusammengepreßt werden, so daß sich die Zeltwände in den Schaum hineinschneiden und dieser in die Zellen gedrückt wird. Ein solches Schaumeinfüllverfahren ist somit notwendigerweise auf Hartschäume beschränkt, und im entstehenden Gegenstand gibt es keine Verbindung zwischen dem Schaum und der Zellstruktur außer der, die durch Reibung entsteht.
Aus JP-1-171935 von TOYOTA MOTOR CORP. ist auch ein Verfahren zur Bildung eines Wabenkernverbunds bekannt, nach dem eine Vorratsflüssigkeit aus aufschäumbarem Kunstharz in einen vorbestimmten Teil eines Wabenkerns gegossen wird. Die Flüssigkeit kann sich dann ausdehnen und die Zellen des vorbestimmten Teils des Kerns ausfüllen, um einen Verbund von hervorragender Steifheit zu bilden.
EP 009060 beschreibt ein strukturelles Material aus aufgeschäumtem Kunstharz mit Außenschichten, die faserverstärktes Kunstharz aufweisen, und einem Wabenkern, der mit aufgeschäumtem steifen Kunstharz gefüllt ist.
GB 2083162 beschreibt eine schaumgefüllte Vielfachhonigwabenstruktur zur Verwendung als Druckenergieabsorber.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines schaumgefüllten zellenförmigen Gegenstands zum Beispiel zur Verwendung als Opfer-Crash-Pad.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten energieabsorbierenden Opferstruktur.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Unter einem Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Crash- Pads zur Verwendung in Fahrzeugen zum Schutz von Personen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Schaffen einer verformbaren Zellmatrize, aufweisend eine Vielzahl von röhrenförmigen Zellen mit offenen Enden,
Schaffen einer Fasermatte über den Enden der Zellen,
Einleiten eines elastischen schaumbildenden Materials in die Zellen der Matrize, das eine geringere Druckfestigkeit als die verformbare Zellmatrize hat, so daß es nicht wesentlich zur Gesamtfähigkeit der Crash-Pads zur Energieabsorption beiträgt,
Zulassen bzw. Bewirken, daß das schaumbildende Material aufschäumt, um die Zellen zu füllen und die Matte zu imprägnieren, und
Zulassen bzw. Bewirken, daß der Schaum aushärtet bzw. erstarrt, um einen elastischen Schaum zu bilden.
Die Zellmatrize kann eine Honigwabenstruktur aufweisen. Die Zellmatrize kann aus einem Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, und die Zellwände können aus Folie oder dünnen Platten bestehen. Die Anordnung der Zellen kann so erfolgen, daß sich ihre Mittelachsen im allgemeinen senkrecht zur Ebene der energieabsorbierenden Opferstruktur erstrecken, wodurch die Energieabsorption durch axiale Verformung der Zellen erreichbar ist.
Das schaumbildende Material kann fest, zum Beispiel Kügelchen, oder flüssig sein. Das schaumbildende Material kann so beschaffen sein, daß es aufschäumt, wenn es mit der umgebenden Luft bei Zimmertemperatur in Kontakt kommt oder Wärmeenergie ausgesetzt oder chemisch aktiviert wird.
Die Einleitung des schaumbildenden Materials in die Zellen kann individuell, indem zum Beispiel eine Reihe von Einspritzdüsen verwendet wird, aber auch durch Hineingießen in die Zellen erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Matrize in ein Bad des flüssigen schaumbildenden Materials zu tauchen und damit zu bewirken, daß die Flüssigkeit die Zeltwände beschichtet. Das Einspritzen des schaumbildenden Materials in die Zellen kann an einer oder mehreren getrennten Stellen, die über die Matrize mit Zwischenraum zueinander angeordnet sind, erfolgen.
Vorzugsweise weist das Verfahren außerdem die Anordnung der Zellen dergestalt auf, daß diese zum Beispiel durch kommunizierende Öffnungen zwischen ihren Enden oder durch Einschnitte an den Enden der Zellen miteinander verbunden sind. Das Einspritzen des schaumbildenden Materials erfolgt dann an einer oder mehreren Stellen. Auf diese Art und Weise kann sich das schaumbildende Material leicht über die Zellstruktur hinweg ausbreiten, ohne daß hohe Spritzdrücke notwendig sind, die die Zellstruktur tendenziell beschädigen. Die Schaffung der Öffnungen kann durch spanende Formgebung eines Blocks aus einem zellbildenden Material erfolgen, bevor der Block zur Bildung einer Honigwabenstruktur expandiert wird, wobei die Öffnungen mit Zwischenraum zueinander angeordnet sind, um jede Zelle in der Matrize zu kreuzen. Das Schaffen der Öffnungen kann durch Wasserstrahlbohren erfolgen.
Das Verfahren kann das Bedecken einer oder beider Seiten der Matrize mit einer Fasermatte aufweisen. Das kann zum Beispiel eine Fasermatte aus Polyesterfasern sein wie die, die unter dem geschützten Warenzeichen DACRON verkauft wird. Danach wird das flüssige schaumbildende Material in die Zellen eingespritzt, um eine Haut über den Enden der Zellen zu bilden, die aus der Fasermatte besteht, die durch den Schaum imprägniert wird, um die Zellenden abzudecken.
Vorzugsweise ist das Schaummaterial hinsichtlich seiner Beschaffenheit so ausgewählt, daß es an den Zellwänden haftet, um eine monolithische Struktur zu bilden. Dort, wo die Zellen miteinander verbunden sind, ist der Schaum auch mechanisch mit den Zellen verblockt. Der Schaum hat vorzugsweise eine geringe Dichte, die zum Beispiel zwischen 60 und 100 kg/m³, vorzugsweise bei ca. 80 kg/m³ liegt.
Das Verfahren kann die Anordnung der Zellmatrize in einer geschlossenen Form aufweisen, bevor das schaumbildende Material in die Zellen eingeleitet wird.
Unter einem anderen Aspekt ist die Erfindung ein schaumgefüllter zellenförmiger Gegenstand, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Genauer gesagt, ist der Gegenstand eine energieabsorbierende Opferstruktur, die einen Wabenkern aus Metallfolie aufweist, der mit einem elastischen Schaum von geringer Dichte, der auch eine Haut über der Struktur bildet, gefüllt ist, wobei die Haut durch einen Matte aus feinen Fasern verstärkt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen schematisch veranschaulicht, in denen
Fig. 1 ein auseinandergezogener Perspektivschnitt ist, der eine Möglichkeit der Herstellung der Verbundmatrize zeigt, und
Eine solche Verbundstruktur wird in Fig. 2 schematisch veranschaulicht, in der der Kern (4) an seinen beiden gegenüberliegenden Seiten einen Haut (11) aus elastischem Material, zum Beispiel aufgeschäumtes Polyurethan, hat, die die Verstärkung aus Faserstoff (3, 7) einschließt und abdeckt, so daß diese nicht sichtbar ist.
Obwohl in den Fig. 1 und 2 das Honigwabenglied (4) rechteckig dargestellt ist, wird es in der Praxis normalerweise ein Profil erhalten, das auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten ist. Auch sind die Fasermatten (3, 7) normalerweise vollständig um das Glied (4) gewickelt, so daß dieses völlig eingeschlossen ist. Somit kann die Haut aus elastischem Schaum die gesamte Struktur, einschließlich ihrer Kanten, überziehen.
Der elastische Schaum, der sich in den Zellen befindet und die Haut bildet, besteht vorzugsweise aus Polyurethan von geringer Dichte, so daß der für sein Zerdrücken aufzuwendende Druck ca. 3 psi (3 · 0,07031 kg cm²) beträgt. Die geringe Dichte ist wichtig um zu gewährleisten, daß der Schaum nicht wesentlich zur Gesamtfähigkeit der Struktur zur Energieabsorption beiträgt, obwohl natürlich schon allein das Vorhandensein des Schaums das völlige Zusammenbrechen der Honigwabenzellen verhindern wird. Der bevorzugte Schaum besteht aus zwei Bestandteilen, die in ihrer Mischung eine chemische Reaktion auslösen. Der Prozeß des Aushärtens des bevorzugten Schaums vollzieht sich daher bei Zimmertemperatur. Ein Zweck des Schaums besteht darin, auf bekannte Art und Weise als schallschluckendes Material zu fungieren. Der Schaum erhöht auch die Biegefestigkeit des Honigwabenmaterials, was die Handhabbarkeit der Struktur vereinfacht. Ein Schaum von hoher Dichte wäre ungeeignet, da er die Fähigkeit des Produkts zur Energieabsorption modifizieren würde.
Die beiden Häute bestehen jeweils aus einer Fasermattenschicht aus Polyesterfasern mit einer Masse von 70 g/m². Diese Fasern sind sehr fein und willkürlich angeordnet. Die Häute sollen in keiner Weise strukturell sein oder den Schaum in den Honigwabenzellen halten. Während der Schaum allein Verletzungen beim Gebrauch nicht verhindern würde, da die Aluminiumfolie, die den Wabenkern bildet, den Schaum durchdringt, werden die Häute bei grober Behandlung normalerweise nicht durch die Folie zerschnitten. Die Verwendung struktureller Häute im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Struktur wäre unangebracht, da sie die Festigkeit des Produkts beeinträchtigen würden.
Der Wabenkern besteht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Zellendurchmesser von 19 mm. Die Nenndruckfestigkeit des Wabenkerns beträgt 30 psi (30 · 0,07031 kg cm²). Das ist ein Standardwabenkern, obwohl durch seine Folien Löcher (zum Beispiel vier Löcher pro 10 mm) gebohrt sind, um seine Fähigkeit zur Energieabsorption anzugleichen und die Ausbreitung der Schaums über die Struktur hinweg auf die oben beschriebene Art und Weise zu ermöglichen. Die Anzahl und Größe der Löcher ist während des Herstellungsprozesses veränderbar, um die energieabsorbierenden Eigenschaften des Wabenkerns zu modifizieren. Das Bohren der Löcher (zum Beispiel durch Wasserstrahlen) kann durch einen festen Block aus Metallfolie erfolgen, bevor der Block expandiert wird, um die Honigwabenstruktur zu bilden. Ein Honigwabenmaterial mit festen (also unperforierten) Folienwänden wäre für den bevorzugten, oben beschriebenen Herstellungsprozeß also ungeeignet, da der Schaum dann direkt in jede der Zellen gegossen werden müßte.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung einer mit Schaum gefüllten Verbundmatrize mit einem zellenförmigen Kern sowie die nach diesem Verfahren hergestellte Verbundmatrize, zum Beispiel zur Verwendung als energieabsorbierende Opferstrukturen, insbesondere für Fahrgasträume in Fahrzeugen, zum Beispiel Motorfahrzeugen. Somit sind die Strukturen in Auskleidungen des Himmels in Automobilen sowie als Auskleidungen und sogar Sitze in Fahrzeugen wie zum Beispiel Flugzeugen verwendbar. Außerdem können die Strukturen Crash-Pads in Sturzhelmen und körperschützenden Kleidungsstücken bilden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Crash-Pads zur Verwendung in Fahrzeugen zum Schutz von Personen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Schaffen einer verformbaren Zellmatrize (4), aufweisend eine Vielzahl von röhrenförmigen Zellen mit offenen Enden (5),

Einleiten eines elastischen schaumbildenden Materials in die Zellen der Matrize, das eine geringere Druckfestigkeit als die verformbare Zellmatrize hat, so daß es nicht wesentlich zur Gesamtfähigkeit der Crash-Pads zur Energieabsorption beiträgt,

Zulassen bzw. Bewirken, daß das schaumbildende Material aufschäumt, um die Zellen (5) zu füllen und die Matte (3, 7) zu imprägnieren, und

Zulassen bzw. Bewirken, daß der Schaum aushärtet bzw. erstarrt, um einen elastischen Schaum zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in der Zellmatrize (4) durch Einschnitte bzw. Öffnungen (6) miteinander verbunden sind, aufweisend den Schritt des

Einspritzens des schaumbildenden Materials in die Zellen (5) an einer oder mehreren getrennten Stellen, die über die Matrize mit Zwischenraum zueinander angeordnet sind,

Zulassens, daß sich das schaumfüllende Material durch die Zellstruktur durch die Einschnitte bzw. Öffnungen (6) ausbreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, aufweisend

Schaffen von Öffnungen in den Zellwänden durch spanende Formgebung eines Blocks aus einem zellbildenden Material, und

Expandieren des Blocks zur Bildung einer Honigwabenstruktur, wobei die Öffnungen (6) mit Zwischenraum zueinander angeordnet sind, um jede Zelle in der Matrize zu kreuzen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, aufweisend das Schaffen der Öffnungen (6) durch Wasserstrahlbohren.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellmatrize (4) eine Honigwabenstruktur hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellmatrize (4) aus einem Leichtmetall besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend das Anordnen der Zellen (5) derart, daß sich ihre Mittelachsen im allgemeinen senkrecht zur Ebene der energieabsorbierenden Opferstruktur erstrecken, wodurch die Energieabsorption durch axiale Verformung der Zellen erreichbar ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte (3, 7) Polyesterfasern aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaummaterial hinsichtlich seiner Beschaffenheit so ausgewählt ist, daß es an den Zellwänden haftet, um eine monolithische Struktur zu bilden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum eine geringe Dichte hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumdichte zwischen 60 und 100 kg/m³ liegt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend das Anordnen der Zellmatrize in einer geschlossenen Form (1), bevor das schaumbildende Material in die Zellen eingeleitet wird.

13. Crash-Pads, die sich zur Absorption von Aufprallenergie permanent verformen, zur Verwendung in Fahrzeugen zum Schutz von Personen, aufweisend

einen Wabenkern (4) aus Metallfolie,

einen elastischen Schaum von geringer Dichte, der den Wabenkern ausfüllt und eine Haut (11) über dem Kern (4) bildet, dadurch kennzeichnet, daß

mindestens eine Fasermatte (3, 7) in der Haut (11) des Schaums vorhanden ist, wobei die Fasermatte (3, 7) zur Verstärkung der Haut (11) durch den Schaum imprägniert wird, und daß der elastische Schaum eine geringere Druckfestigkeit als die verformbare Zellmatrize hat, so daß er nicht wesentlich zur Gesamtfähigkeit der Crash-Pads zur Energieabsorption beiträgt.

14. Crash-Pads nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkern (4) eine Vielzahl von Einschnitten bzw. Öffnungen (6) umreißt, die die Zellen (5) der Wabe (4) miteinander verbinden.