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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für eine Karosserie eines Kraftwagens sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die Verwendung von Strukturbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen im Kraftwagenbau ist dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Solche Bauteile kombinieren ein besonders geringes Eigengewicht mit einer sehr hohen mechanischen Festigkeit und gleichzeitig einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit. Ein übliches Herstellungsverfahren solcher Bauteile ist das sogenannte resin transfer moulding, bei welchem meist eine vorgefertigte Faserstruktur in eine Spritzform eingelegt und in dieser mit einer Harzmatrix umspritzt wird, welche unter Druck mittels eines Kolbens aus einer beheizten Vorkammer in die Form eingepresst wird. Das Aushärten erfolgt dann unter Wärme und Druck.
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Neben Gewicht, mechanischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind an Kraftwagenbauteile noch weitere Anforderungen zu stellen. Besonders wichtig ist hierbei der Insassenkomfort. Um für ein angenehmes und ruhiges Umfeld im Kraftwageninnenraum zu sorgen, sind insbesondere noch Schalldämmmaßnahmen notwendig. Üblicherweise werden hierzu Schalldämmmatten auf Strukturbauteile des Kraftwagens aufgebracht, die den Transfer von akustischen Schwingungen in den Kraftwageninnenraum dämpfen sollen. Derartige Schalldämmmatten beanspruchten beträchtlichen Bauraum und erhöhen das Gewicht des Kraftwagens nachteilig.
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Aus der
DE 44 13 009 A1 ist ein Verkleidungs- bzw. Anbauteil für ein Kraftfahrzeug bekannt, das aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht. Das Bauteil umfasst einen als Helmholtzresonator ausgebildeten Hohlraum, mit dessen Hilfe Motor- bzw. Reifengeräusche absorbiert werden sollen. Allerdings ist ein solches Bauteil mit thermoplastischer Matrix nicht geeignet, die an Strukturbauteile im Fahrzeugbau gestellten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen zu erfüllen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug bereitzustellen, welches neben guten mechanischen Eigenschaften auch akustisch günstige Eigenschaften besitzt. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Strukturbauteils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Ein derartiges Strukturbauteil für eine Karosserie eines Kraftwagens besteht zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff und ist mittels eines resin transfer moulding (RTM) Verfahrens hergestellt. Zur Geräuschreduktion weist das Strukturbauteil zumindest einen als Helmholtzresonator ausgebildeten inneren Hohlraum auf, welcher über zumindest eine gegenüber dem Hohlraumquerschnitt verengte Öffnung mit der Umgebungsluft verbunden ist.
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Helmholtzresonatoren bestehen generell aus einem Luftvolumen mit einer verengten Öffnung zur Umgebung hin. Durch Elastizität der eingeschlossenen Luft wirkt ein derartiger Resonator als mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten Eigenresonanz. Helmholtzresonatoren können daher als Resonanzabsorber verwendet werden. Auf den Resonator auftreffende Schallenergie wird dabei in kinetische Energie der schwingenden Luftmasse umgewandelt und letztendlich thermisch dissipiert. Helmholtzresonatoren weisen dabei gerade im Bereich der Kraftwagenakustik besonders bedeutsamen Niederfrequenzen-Spektralbereich besonders gute Schalldämmungseigenschaften auf.
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Durch die Integration von Helmholtzresonatoren in Strukturbauteile eines Kraftwagens kann gegebenenfalls auf die Verwendung zusätzlicher Schalldämmmatten verzichtet werden, so dass Bauraum und Gewicht eingespart werden. Die Strukturbauteile erhalten neben ihrer eigentlichen tragenden Funktion eine zusätzliche Aufgabe im Bereich der Innenraumakustik des Kraftwagens. Durch diese hohe Funktionsintegration ist es möglich, besonders leichte Kraftwagen zu fertigen, die dennoch einen hohen Fahrgastkomfort im Innenraum gewährleisten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Strukturbauteil in Schalenbauweise ausgebildet, wobei der Hohlraum von den Schalen eingeschlossen wird. Derartige Strukturbauteile sind besonders einfach zu fertigen, die Schalen können beispielsweise jeweils im resin transfer moulding-Verfahren hergestellt und später durch Kleben oder dergleichen gefügt werden. Durch die Zweiteiligkeit ist zudem eine besonders einfache Einstellbarkeit der akustischen Eigenschaften des Strukturbauteils gegeben.
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Vorzugsweise ist diejenige der Schalen, welche die zumindest eine Öffnung aufweist, in Einbaulage des Strukturbauteils in einem Kraftwagen zu einer Fahrgastzelle des Kraftwagens hin gerichtet, um innerhalb der Fahrgastzelle auftretende niederfrequente akustische Schwingungen besonders gut zu dämpfen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diejenige der Schalen, welche keine Öffnungen aufweist, aus einem Material höherer Festigkeit ausgebildet, als die andere der Schalen. Hierdurch können das Schwingungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften des Strukturbauteils auf besonders einfache Weise gesteuert werden.
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Alternativ zur Schalenbauweise ist es auch möglich, dass der Hohlraum durch einen bei der Herstellung des Strukturbauteils eingeformten Hohlkörper gebildet ist. Die Öffnungen können dann beispielsweise durch Bohren oder andere spanende Verfahren nachträglich hergestellt werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Hohlkörpern nahezu beliebiger Geometrie, so dass die Resonanzeigenschaften des Helmholtzresonators besonders vielfältig einstellbar sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Hohlraum ein Dämmmaterial angeordnet. Durch ein solches Dämmmaterial kann die thermische Dissipation der aufgenommenen Schallenergie gefördert werden, so dass besonders gute Schalldämmeigenschaften erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für eine Karosserie eines Kraftwagens, welches zumindest teilweise unter Verwendung eines resin transfer moulding (RTM) Verfahrens aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt wird, wobei beim Herstellen des Strukturbauteils ein als Helmholtzresonator ausgebildeter innerer Hohlraum bereitgestellt und über zumindest eine gegenüber dem Hohlraumquerschnitt verengte Öffnung mit der Umgebungsluft verbunden wird.
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Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Strukturbauteils geschildert, kann so auf prozesstechnisch besonders einfache Weise ein Bauteil mit hoher Funktionsintegration geschaffen werden, welches neben exzellenten mechanischen Eigenschaften und einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit gleichzeitig Schalldämmfunktionen übernehmen kann. Die Herstellung unterscheidet sich dabei in ihrer Komplexität und ihrem Aufwand nicht wesentlich von der Herstellung konventioneller Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoffen, so dass eine schnelle, prozesssichere und kostengünstige Fertigung gewährleistet ist.
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Vorzugsweise wird der innere Hohlraum durch Einlegung eines Hohlkörpers in eine resin transfer moulding-Form und Umgießen des Hohlkörpers mit dem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt. Die gegenüber dem Hohlraumquerschnitt verengte Öffnung kann dann durch Bohren, Fräsen oder andere geeignete Trennverfahren bereitgestellt werden. Gegenüber der Herstellung eines soliden Faserverbundbauteils wird hier lediglich der zusätzliche Schritt des Einlegens des Hohlkörpers in die Form notwendig, der problemlos und mit hoher Präzision automatisierbar ist.
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Alternativ hierzu kann der innere Hohlraum auch durch Zusammenfügen zweier Schalen des Strukturbauteils bereitgestellt werden, welche den Hohlraum zwischen sich einschließen. Das Fügen kann dabei durch alle für Fachverbundwerkstoffe geeignete Verfahren erfolgen, insbesondere bietet sich das Kleben an. Durch die Zweiteiligkeit des so hergestellten Strukturbauteils ist es möglich, bei dessen Herstellung seine akustischen Eigenschaften besonders präzise einzustellen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils in Schalenbauweise und
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils mit eingegossenen Hohlkörpern.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Strukturbauteil für einen Kraftwagen ist aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt und umfasst zwei Schalen 12, 14, die in Flanschbereichen 16 miteinander verklebt sind. Die Schalen schließen einen Hohlraum 18 ein. Die im Einbaulager des Strukturbauteils 10 zur Fahrgastzelle hin gerichtete Schale 14 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 20 auf, die den eingeschlossenen Hohlraum 18 mit der Umgebungsluft verbinden. Die Öffnungen 20 sind dabei deutlich verengt gegenüber dem Hohlraumquerschnitt.
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Die Schalen 12, 14 können jeweils als Faserverbundwerkstoffe beispielsweise durch resin transfer moulding bereitgestellt werden. Die Öffnungen 20 können dabei bereits während des Spritzpressens der RTM-Teile mit eingeformt werden oder aber später spanend eingebracht werden.
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Die Kombination aus dem inneren Hohlraum 18 und den Öffnungen 20 wirkt insgesamt als Helmholtzresonator. In Richtung der Schale 14 auftreffende Schallenergie regt die Luftsäule im Hohlraum 18 zu Schwingungen an. Die im Hohlraum 18 aufgenommene Luft wirkt dabei als mechanisches Masse-Feder-System. Aufgrund der inneren Reibung zwischen den schwingenden Luftmolekülen wird die eingebrachte Schallenergie letztendlich thermisch dissipiert. Das Strukturbauteil 10 wirkt also als Schalldämpfer, insbesondere als Resonanzabsorber. Das Absorptionsspektrum des Strukturbauteils 10 wird dabei durch die Geometrie des Hohlraums 18 sowie den Durchmesser der Öffnungen 20 beeinflusst. Auch die Materialeigenschaften der Schalen 12, 14 stellen eine Einflussgröße dar. Beispielsweise ist es möglich, die Innenschale 14 aus einem elastischeren Material herzustellen, als die Außenschale 12. Die Innenschale 14 beeinflusst damit das Schwingungsverhalten des Hohlraums 18, wenn es die verstärkte Außenschale 12 die notwendige mechanische Festigkeit für das Strukturbauteil 10 bereitstellt.
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Alternativ zur in 1 gezeigten Schalenbauweise kann ein Strukturbauteil 10 mit derartigen Schalldämmeigenschaften auch durch das Eingießen von Hohlkörpern 22 in einen massiven Faserverbundkörper 24 realisiert werden. Die Hohlkörper 22 werden hierzu zusammen mit den Faserhalbzeugen, die zur Herstellung des Strukturbauteils 10 benötigt werden, in eine resin transfer moulding-Form eingelegt und dort mit der Harzmatrix umgossen. Die Hohlkörper 22 stellen die für die Absorptionseigenschaften wesentlichen Hohlräume 18 zur Verfügung. Nach dem Umgießen der Hohlkörper 22 müssen diese noch über entsprechende Öffnungen 20 mit der Umgebung verbunden werden. Die Öffnungen 20 können dabei durch Bohren, Fräsen, Stanzen oder dergleichen eingebracht werden.
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Gegenüber der Schalenbauweise ermöglicht die in 2 dargestellte Variante eine besonders flexible Gestaltung der Geometrie des Hohlraumes 18, was ein besonders präzises Einstellen der Resonanzeigenschaften des Strukturbauteils 10 ermöglicht.
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In beiden Fällen ist es möglich, in die Hohlräume 18 noch zusätzliche Dämmmaterialien einzubringen, die beispielsweise die Innenwandungen der Hohlräume 18 auskleiden können. Hierdurch kann die thermische Dissipation der eingeleiteten Schallenergie weiterbefördert werden, so dass die Absorptionseigenschaften des Strukturbauteils 10 weiter verbessert werden.
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Das Strukturbauteil 10 kann vielfältige Anwendung im Kraftwagenbau finden. Insbesondere ist es hierdurch möglich, tragende Strukturen selbst mit Schalldämmungseigenschaften auszustatten. Einsatzmöglichkeiten sind hierbei in der Bodengruppe, der Stirnwand, der Rückwand, der Hutablage, der Türstrukturen oder dem Dach des Kraftwagens gegeben. Insgesamt kann auf diese Art eine besonders leichte und dennoch mechanisch stabile Karosserie geschaffen werden, die zusätzlich Schalldämmungseigenschaften aufweist, so dass die Innenraumakustik des Kraftwagens auf die gewünschte Weise beeinflusst werden kann, ohne dass zusätzliche, Bauraum und Gewicht benötigende Schalldämmelemente vorgesehen werden müssen.
