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Die Erfindung betrifft ein Kunststoffformteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Die
DE 27 41 342 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffformteilen. Generell werden Polyethylen-Schaumstoffe durch Extrusion von treibmittelhaltigen Polymeren oder durch Verpressen von Schaumstoffpartikeln in Form von Platten, Bahnen oder Profilen hergestellt. Für komplizierte Raumformen wird der Polyethylen-Schaumstoff zugeschnitten und in eine beheizbare Form eingelegt, wo mittels Wärme und Druck ein Schaumstoffformteil ausgebildet wird. Für eine intakte Schaumstruktur im Inneren des Schaumstoffformteils müssen Wärme und Druck so gewählt werden, dass die Schaumstruktur im Inneren des Schaumstoffformteils unbeeinträchtigt bleibt.
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Zur Herstellung eines Kunststoffformteils wird auch das sogenannte selektive Lasersintern (SLS-Verfahren) verwendet. Hierbei werden 3D-CAD-Daten eines Bauteils in eine Vielzahl von einzelnen Schnitten, vorzugsweise zur Hochachse des Bauteils, zerlegt. In diesen Schnitten sind die zur Herstellung des Bauteils benötigten Körperumrissdaten gezeigt, die beim Lasersintern verfestigt werden. Aus diesen Schnitten wird das Kunststoffformteil beim Lasersintern schichtweise aufgebaut. Es wird jeweils eine Schicht aus losem Kunststoffpulver aufgebracht, die eine genau festgelegte Schichtdicke und eine plane Oberfläche aufweist. Entsprechend den Körperumrissdaten, die im jeweiligen Schnitt festgelegt sind, wird das Kunststoffpulver durch Laserbestrahlung gezielt zum Schmelzen gebracht, so dass sich das Kunststoffformteil Schicht für Schicht aufbaut und sich mit darunter liegenden verfestigten Bereichen der vorhergehenden Schichten verbindet. Nach der Fertigstellung der letzten und somit obersten Schicht wird das nicht verfestigte Kunststoffpulver entfernt, so dass das aus geschmolzenem Kunststoffpulver hergestellte Kunststoffformteil übrig bleibt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kunststoffformteil zu schaffen, das anstelle eines Schaumstoffkörpers verwendet werden kann.
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Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffformteils bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gelost durch ein Kunststoffformteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Ein solches Kunststoffformteil ist materialeinheitlich aus einem Hartmaterial, z. B. Polystyrol, Polycarbonat oder Polyamid hergestellt und einstückig ausgebildet. Erfindungsgemäß weist das Kunststoffformteil eine Vielzahl elastisch deformierbarer und miteinander gekoppelter Federelemente auf. Die Federelemente sind definiert geformt, wobei die elastische Deformierbarkeit des Kunststoffformteils durch die Gestaltung der Federelemente bestimmbar ist. Durch die definierte Gestaltung der einzelnen miteinander gekoppelten Federelemente wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die elastischen Eigenschaften, wie z. B. Stauchhärte oder Eindruckhärte, des Kunststoffformteils frei wählbar sind. Das bedeutet, dass die Stauchhärte oder die Eindruckhärte entsprechend den an das Kunststoffformteil gestellten Anforderungen gewählt werden können. Die Federelemente können vorteilhaft nur an der Oberfläche des Kunststoffformteils miteinander gekoppelt sein, so dass das Kunststoffformteil eine nahezu geschlossene und stabile Oberfläche aufweist. In einer alternativen Ausgestaltung können die Federelemente zusätzlich zu der Kopplung an der Oberfläche auch innerhalb des Kunststoffformteils miteinander gekoppelt sein, so dass das Kunststoffformteil eine höhere Stabilität aufweist.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist, dass die Federelemente in ihrer Querschnittsfläche variabel gestaltbar sind. Hierbei kann die Querschnittsfläche beispielsweise rund oder viereckig gestaltet sein. Auch eine Größe der Querschnittsfläche, also die flächenmäßige Ausdehnung, kann variabel gestaltbar sein. Durch unterschiedlich große Querschnittsflächen können die elastischen Eigenschaften der Federelemente beeinflusst werden. Weist ein Federelement im Vergleich zu einem anderen Federelement eine geringere Querschnittsfläche auf, so ist es sehr viel elastischer – also weicher – als das Federelement mit dem größeren Querschnitt. Das Federelement mit der geringeren Querschnittsfläche weist somit eine geringere Härte auf, als das Federelement mit der größeren Querschnittsfläche. Durch ein gezieltes Auswählen der Größe der Querschnittfläche können auf einfache Art und Weise die elastischen Eigenschaften des einzelnen Federelements bestimmt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann mindestens ein Federelement in seiner Längsausdehnung unterschiedlich große Querschnittsflächen aufweisen.
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Gemäß Anspruch 3 kann das elastisch deformierbare Federelement eine Schrauben-, eine Waben- und/oder eine Gitterstruktur aufweisen. Hierbei können Federelemente mit unterschiedlichen Strukturen im Kunststoffformteil oder nur an der Oberfläche des Kunststoffformteils miteinander gekoppelt werden. In der bevorzugten Ausgestaltung weist das Kunststoffformteil nur Federelemente gleicher Struktur auf. Dies bietet den Vorteil, dass die konstruktive Anordnung der Federelemente innerhalb der Umrissdaten des Kunststoffformteils schneller erfolgen kann, da keine Übergänge zwischen den unterschiedlichen Strukturen berücksichtigt und konstruktiv angepasst werden müssen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 4 weist das elastisch deformierbare Kunststoffformteil Bereiche mit unterschiedlichen Härtegraden auf. Die Härte des deformierbaren Kunststoffformteils kann als Stauchhärte oder als Eindruckhärte angegeben werden. Unter der Stauchhärte wird die Spannung in kPa verstanden, die aus einer Verformung mit konstanter Verformungsrate während eines vierten Belastungszyklus resultiert. Unter der Eindruckhärte versteht man die Gesamtkraft, die notwendig ist, um unter vorgeschriebenen Bedingungen eine vorgeschriebene Eindrückung in einem Normprobekörper zu erreichen.
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Gemäß Anspruch 4 bedeutet dies, dass das Kunststoffformteil mehrere Federelemente mit gleich großen Querschnittsflächen aufweist, die bereichsweise zusammen angeordnet und miteinander gekoppelt sind. Die Bereiche unterscheiden sich relativ zueinander durch die unterschiedlich großen Querschnittsflächen der Federelemente. Da die Größe der Querschnittsflächen in den jeweiligen Bereichen frei gewählt werden kann, weisen die Bereiche unterschiedliche Elastizitäten und somit unterschiedliche Stauchhärten und Eindruckhärten auf. Sind in einem Bereich eine Vielzahl von Federelementen miteinander gekoppelt, die relativ gesehen eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen, so weist dieser Bereich eine geringere Stauchhärte und eine geringere Eindruckshärte auf. Der Bereich ist somit elastischer und weicher.
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Gemäß Anspruch 5 ist das Kunststoffformteil ein Polsterteil, insbesondere ein Sitzkissen, ein Lehnenkissen oder eine Matratze für ein Kraftfahrzeug. Das Kunststoffformteil kann, obwohl es aus einem harten Kunststoff hergestellt ist, statt des üblicherweise eingesetzten Polsterteils aus PUR-Schaum verwendet werden. Das Kunststoffformteil ist wesentlich leichter als das Polsterteil aus PUR-Schaum, so dass in vorteilhafter Weise Gewicht eingespart werden kann, was sich positiv auf ein Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs auswirkt. Bei dem Polsterteil aus PUR-Schaum können Bereiche mit unterschiedlichen Härten im Herstellverfahren nur sehr schwer und nur mit einem aufwendigen Schaumwerkzeug hergestellt werden. Eine andere Möglichkeit Bereiche mit unterschiedlichen Härten in einem Polsterteil darzustellen, ist die Verwendung von Schnittschäumen mit unterschiedlichen Stauchhärten, die auf einen PUR-Schäumling in Handarbeit aufgeklebt werden. Im Vergleich dazu kann die Elastizität des einzelnen Federelements einfach über die Größe des Flächenquerschnitts frei bestimmt wenden und darüber auch die Stauchhärte bzw. die Eindruckhärte der unterschiedlichen Bereiche des Kunststoffformteils. Dies bietet den Vorteil, dass jedes Polsterteil individuell auf einen Kraftfahrzeuginsassen und entsprechend seinen Komfortwünschen gefertigt werden kann. Am Beispiel der Sitzlehne, die einen Lehnenspiegel aufweist, der seitlich von jeweils einer Seitenwange und nach unten zum Sitzkissen von einer Lordose begrenzt wird, bedeutet es, dass die Sitzlehne innerhalb dieser Bereiche unterschiedliche Härtegrade aufweisen kann. In diesem Fall können die Seitenwangen eine größere Stauchhärte bzw. Eindruckhärte aufweisen, als der Lehnenspiegel oder die Lordose, so dass ein guter Seitenhalt bei Kurvenfahrt gewährleistet ist. Auch innerhalb des Lehnenspiegels können Bereiche mit unterschiedlicher Stauchhärte bzw. Eindruckhärte realisiert werden, so dass jedes Polsterteil optimalen individuellen Sitz- bzw. Liegekomfort bietet.
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Über ein Messverfahren können vor Herstellung des Polsterteils die individuellen Komfortmaße des Insassen ermittelt werden und auf das Kunststoffformteil und somit auf die Federelemente übertragen werden.
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Des Weiteren kann auf einfache Art und Weise ein Multikontursitz ermöglicht werden, dessen Breitenmaß über verstellbare Klappen reguliert wenden kann. In diesem Fall liegen die über einen Elektromotor verstellbaren Klappen auf der einem Innenraum des Kraftfahrzeuges abgewandten Seite der Seitenwangen des Sitzkissen bzw. der Sitzlehne an. Durch die Bewegung der Klappen zum Fahrzeuginsassen hin werden die Seitenwangen zur Polstermitte bewegt und so das Breitenmaß der Sitzlehne oder des Sitzkissens angepasst. In einer alternativen Ausgestaltung können die Klappen durch Druckluft befüllbare Blasen ersetzt werden, über die die Seitenwangen und auch die Lordose angepasst werden können.
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Gemäß Anspruch 6 weist das elastisch deformierbare Kunststoffformteil Befestigungselemente für einen Bezug auf. Diese Befestigungselemente können in vorteilhafter Weise im Rahmen des Herstellungsverfahrens in das Kunststoffformteil eingebracht werden. Bei der Herstellung des herkömmlichen PUR-Schäumlings wird ein Draht, an dem ein Bezug befestigt werden kann, eingeschäumt. Beim Recycling des PUR-Schäumlings muss der eingeschäumte Draht nach dem Lösen des Bezuges aus dem Schäumling entfernt werden. Im Gegensatz dazu kann das Kunststoffformteil einfacher recycelt werden, da die Befestigungselemente aus dem gleichen Material hergestellt sind, wie das Kunststoffformteil.
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In einer Weiterbildung gemäß Anspruch 7 sind die Befestigungselemente als Aufnahme für einen Clips- oder einer Klammer ausgestaltet. Um den Bezug an dem Kunststoffformteil befestigen zu können, müssen an dem Bezug Clipse angeordnet sein. Die Befestigungselemente sind entsprechend auf die verwendeten Clipse abgestimmt. Wird der Bezug auf dem Kunststoffformteil mit Klammern statt mit Clipsen befestigt, so sind die Befestigungsmittel als eine Art Langloch ausgebildet, in das die Klammer eingreift.
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Bedingt durch die Schrauben-, Waben- oder Gitterstruktur ist das Kunststoffformteil luftdurchlässig. Im Vergleich zu einem Polsterteil aus PUR-Schaum weist das Kunststoffformteil deutlich bessere Durchlüftungseigenschaften und somit einen besseren Klimakomfort auf. Des Weiteren kann bei einem als Polsterteil ausgebildeten Kunststoffformteil auf Grund der luftdurchlässigen Struktur auf luftleitende Schichten, beispielsweise auf Abstandsgewirke verzichtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, dass das materialeinheitliche und elastisch deformierbare Kunststoffformteil einstückig, mittels generativer Verfahren hergestellt wird. Bei diesen Verfahren erfolgt die Fertigung auf Basis rechnerinterner Modelle aus formlosem Material (z. B. Pulver, Flüssigkeiten, etc.) mittels chemischer oder physikalischer Prozesse. So wird beispielsweise das Kunststoffformteil im Rahmen des Herstellungsverfahrens durch selektives Lasersintern, Stereolithografie oder durch das wesentlich schnellere 3-D-Drucken hergestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kunststoffformteils,
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2 eine perspektivische Teilansicht einer Seitenwange des Kunststoffformteils
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3 und eine Schnittansicht des Kunststoffformteils.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kunststoffformteils 1, das als Sitzkissen 2 für einen nicht gezeigten Sitz eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Das Sitzkissen 2 weist einen Sitzspiegel 3 auf, der seitlich durch jeweils eine Sitzwange 4 begrenzt wird. In Fahrtrichtung gesehen, weist das Sitzkissen 2 an seinem hinteren Ende des Sitzkissens 2 einen erhöhten hinteren Querwulst 5 auf. Die Seitenwangen 2 und der daran angrenzende hintere Querwulst 5 stützen einen Fahrzeuginsassen bei Kurvenfahrt. An seinem in Fahrtrichtung gesehenen vorderen Ende weist das Sitzkissen 2 einen vorderen Querwulst 6 auf, der zur Abstützung einer Schenkelpartie oberhalb der Knie des Kraftfahrzeuginsassen dient. Das Sitzkissen 2 wird aus harten thermoplastischen Kunststoffen hergestellt. Bei dem in 1 gezeigten Sitzkissen wurde Polystyrol verwendet. Das Sitzkissen 2 wurde im Rahmen des Herstellungsverfahrens einstückig und materialeinheitlich durch selektives Lasersintern hergestellt. Damit ein Bezug an dem Sitzkissen 2 befestigt werden kann, weist das Sitzkissen 2 Befestigungselemente 7 auf, in die entsprechende Gegenstücke, die am Bezug befestigt sind, eingreifen. Das Sitzkissen 2 weist eine Vielzahl elastisch deformierbarer und miteinander gekoppelter Federelemente 8 auf, deren Struktur in 2 dargestellt ist. Jedes Federelement 8 weist, wie in 1 gezeigt, an seinen beiden Enden jeweils ein ringförmiges Endstück auf, über das ein einzelnes Federelement 8 mit seinen benachbart angeordneten Federelementen 8 gekoppelt ist. Durch diese Kopplung der Federelemente 8 wird eine durchgehende Oberfläche des Polsterteils 2 gebildet. Das Sitzkissen 2 kann Bereiche unterschiedlicher Härtegrade aufweisen. In 1 ist das Sitzkissen 2 in folgende Bereiche unterteilt: Sitzspiegel 3, Seitenwangen 4, hinterer Querwulst 5 und vorderer Querwulst 6. Jeder dieser Bereiche weist eine unterschiedliche Stauchhärte oder Eindruckhärte auf, wobei alle Federelemente 8 in einem Bereich eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen. Die Stauchhärte oder die Eindruckhärte der oben genannten Bereiche kann über die Struktur und die Größe der Querschnittsfläche der zu einem Bereich angeordneten Federelemente 8 individuell bestimmt werden.
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2 zeigt eine perspektivische Teilansicht der Seitenwangen 4 des als Sitzkissens 2 ausgebildeten Kunststoffformteils 1. In dieser Teilansicht ist die schraubenförmige Struktur 9 der elastisch deformierbaren Federelemente 8 aus denen das Sitzkissen 2 gebildet wird, gut sichtbar. Jedes Federelement 8 ist mit dem ringförmigen Endstück über eine Verbindungsstelle 11 mit den benachbarten Federelementen 8 gekoppelt. In 2 weisen die Federelemente 8 eine runde Querschnittsfläche auf. Durch die schraubenförmige Struktur 9 der Federelemente 8 lassen sich die Federelemente 8 sehr gut auf Druck belasten, indem alle schraubenförmigen Windungen 10 des Federelements 8 zusammengepresst werden. Wie stark sich die Windung 10 des Federelements 8 zusammenpressen lassen, wird über die Größe der Querschnittsfläche des Federelements 8 bestimmt. Je größer die Querschnittsfläche des Federelements 8 ist, desto weniger stark lässt sich das Federelement 8 zusammenpressen. Das bedeutet, dass das je größer die Querschnittsfläche des Federelements 8 ist, desto höher ist die Stauchhärte oder die Eindruckhärte. Da die Querschnittsfläche des Federelements 8 frei wählbar ist, können die elastischen Eigenschaften, wie Stauchhärte und Eindruckhärte individuell und für jeden Bereich eines Polsterteils 2 angepasst werden. Dies bietet die Möglichkeit, dass die Polsterteile 2 für einen Sitz eines Kraftfahrzeuges entsprechend den Komfortwünschen eines Fahrzeuginsassen gefertigt werden können. In einer alternativen Ausgestaltung des Kunststoffformteils 1 kann die Größe der Querschnittsfläche des Federelements 8 im Verlauf der schraubenförmigen Struktur 9 variiert werden, so dass das Federelement 8 eine nichtlineare Federkennlinie aufweist. Werden eine Vielzahl dieser Federelemente 8 bereichsweise angeordnet, so kann ein Einsitzverhalten für jeden Bereich des Polsterteils 2 angepasst werden.
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3 zeigt eine Schnittansicht des Kunststoffformteils 1 durch den vorderen Querwulst 6. Die ringförmigen Endstücke der Federelemente 8 sind über eine Verbindungsstelle 11 miteinander gekoppelt, so dass das Kunststoffformteil 1 eine durchgehende Oberfläche aufweist.
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Beim selektiven Lasersintern handelt es sich um ein generatives Herstellungsverfahren, bei dem auf Basis eines rechnerinternen Datenmodells aus formlosem Material (z. B. Polystyrolgranulat) mittels chemischer oder physikalischer Prozesse ein einstückiges Formteil hergestellt wird. Weitere generative Herstellungsverfahren sind beispielsweise Stereolithografie, 3-D-Drucken oder Kaltgasspritzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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