DE102012000772A1

DE102012000772A1 - Sitzschale eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102012000772A1
Application number: DE201210000772
Authority: DE
Inventors: Armin Rossmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Es wird eine Sitzschale (1) eines Kraftfahrzeugs (30) und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Die Sitzschale (1) weist einen ersten Abschnitt (3) aus einem zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff (5) bestehenden ersten Material auf. Außerdem weist die Sitzschale (1) einen zweiten Abschnitt (4) aus einem faserverstärkten Kunststoff (6) bestehenden zweiten Material auf. Der erste Abschnitt (3) weist einen kurzfaserverstärkten Kunststoff (5) auf und ist formstabiler als der zweite Abschnitt (4). Der zweite Abschnitt (4) weist einen langfaserverstärkten Kunststoff (6) auf und bildet eine Schale (2) aus Organoblech (20), die von einem durch den ersten Abschnitt (3) gebildeten Rahmen (7) umgeben ist.

Description

Es wird eine Sitzschale eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben.
Aus der Druckschrift EP 2 272 706 A2 ist eine Sitzschale eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Sitzschale eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die bekannte Sitzschale eines Kraftfahrzeugs umfasst mindestens einen ersten Abschnitt aus einem Verstärkungsmaterial, das widerstandsfähiger als ein zweiter Abschnitt aus einem Basismaterial ist, wobei die Sitzschale das Basismaterial aufweist, welches zumindest teilweise aus Kunststoff bestehend ist. Dabei werden das Verstärkungsmaterial und das Basismaterial in einem Werkzeug durch Heißpressen oder Spritzgießen miteinander verbunden und in die angestrebte Form der Sitzschale überführt.
Der aus dem Verstärkungsmaterial bestehende erste Abschnitt ist in der Gebrauchsstellung in einem oberen Endbereich der Vorderseite der Sitzschale angeordnet. Der Verstärkungsbereich weist dazu einen kurzfaserverstärkten Kunststoff in dem vorderen Bereich der Sitzschale auf, während die Sitzschale selbst den zweiten Abschnitt bildet und bis zur Hinterseite der Sitzschale aus einem langfaserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt ist. Das kurzfaserverstärkte Verstärkungsmaterial ist aus einem plattenförmigen oder teilkonsolidierten Halbzeug, insbesondere als Organoblech oder als thermoplastisches Prepreg ausgebildet und mit dem langfaserverstärkten Basismaterial über einen Spritzgussprozess verbunden.
Der mindestens eine zweite aus dem Verstärkungsmaterial bestehende Abschnitt in einem Bereich der Sitzschale ist angeordnet, in den während des Gebrauchs Kräfte eingeleitet werden und/oder der während des Gebrauchs höher belastet wird als andere Bereiche der Sitzschale. Insbesondere kann der mindestens eine zweite aus dem Verstärkungsmaterial bestehende Abschnitt in einem in Gebrauchsstellung vorderen Endbereich der Oberseite der Sitzschale und/oder in einem in Gebrauchsstellung oberen Endbereich der Vorderseite der Sitzschale angeordnet sein. Eine Verstärkung dieses Kantenbereichs kann das unter dem Gurt Durchtauchen einer sitzenden Person bei einem Unfall vermeiden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sitzschale eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben, bei der die Sitzfläche in der Lage ist, Stoßenergien bei Auffahrunfällen aufzunehmen und abzubauen und dennoch eine begrenzte Formstabilität der Sitzschale zu gewährleisten. Dabei ist es eine weitere Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Energie absorbierenden Sitzschale anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
In einer ersten Ausführungsform der Sitzschale weist diese einen ersten Abschnitt aus einem zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden ersten Material auf. Außerdem weist die Sitzschale einen zweiten Abschnitt aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehenden zweiten Material auf. Der erste Abschnitt weist einen kurzfaserverstärkten Kunststoff auf und ist formstabiler als der zweite Abschnitt. Der zweite Abschnitt weist einen langfaserverstärkten Kunststoff auf und bildet eine Schale, die von einem durch den ersten Abschnitt ausgebildeten Rahmen umgeben ist.
Eine Schale aus Organoblech wird gebildet. Organoblech bezeichnet einen endlos- bzw. langfaserverstärkten Kunststoff, der aufgrund seiner Dimensionen eine Blechgestalt aufweist.
Diese Lösung steht im Gegensatz zur obigen Druckschrift, bei der nicht die Sitzfläche der Sitzschale aus Organoblech hergestellt ist, sondern vielmehr das Verstärkungsmaterial, welches den vordern oberen Endbereich der Vorderseite der Sitzschale bildet.
Demgegenüber ist die hier offenbarte Sitzschale rundherum von einem kurzfaserverstärkten, formstabilen ersten Material umgeben, das einen stabilen Rahmen bildet, zwischen dem das langfasrige Organoblech mit lediglich zwei sich kreuzenden Lagen von Langfasern in Form eines Geleges, eines Geflechts oder eines Gewebes aufgespannt ist. Diese Langfasern können sich bei einer Stoßbelastung eines Auffahrunfalls bewegen und durch die Reibung zwischen der Matrix aus thermoplastischen Kunststoff und den Langfasern kann ein Anteil der Stoßenergie abgebaut werden.
Die beiden Abschnitte sind in einer weiteren Ausführungsform in ihren Randbereichen miteinander dadurch verbunden, dass die Randseiten des zweiten Abschnitts aus langfaserverstärktem Organoblech mit den Randbereiche des ersten Abschnitts aus kurzfaserverstärktem Kunststoff eingebettet sind, sodass Enden der Langfasern in vorteilhafter Weise in dem formstabilen ersten Material eingebettet sind.
Dazu ist es weiterhin vorgesehen, dass der erste formstabile Abschnitt die mindestens doppelte Dicke des zweiten Abschnitts aufweist und die Enden der Langfasern in dem ersten Material des Rahmens bis zu 20 mm überlappend eingebettet sind. Außerdem ist es vorgesehen, dass sich die Langfasern nicht nur kreuzen sondern jeweils sich zwischen gegenüberliegenden Randbereichen des Rahmens erstrecken.
Außerdem kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der erste Abschnitt und damit der Rahmen der Sitzschale verstärkte Anschlussbereiche aufweisen, die mit einem Sitzgestell in Eingriff stehen. In diesen verstärkten Abschnitten können Öffnungen vorgesehen werden, die mit Schwenkgelenken des Sitzgestells in Eingriff stehen und nicht nur ein Heben und Senken der Sitzschale in dem Sitzgestell ermöglichen, sondern auch eine Winkelverstellung der Sitzfläche gegenüber der Rückenlehne ermöglichen.
Die schalenförmige Sitzfläche aus langfaserverstärktem Kunststoff weist eine Dicke d von 0,6 mm ≤ d ≤ 1,6 mm auf, wobei die Langfasern des Organobleches einen Durchmesser D von 0,05 mm ≤ D ≤ 0,8 mm besitzen. Die Langfasern können Glas- oder Kohlefasern aufweisen, wobei Kohlefasern aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichts und ihres höheren Elastizitätsmoduls bevorzugt eingesetzt werden und auch einen höheren Anteil an dem Abbau von Stoßenergie durch Reibeffekte zwischen Kohlefaser und thermoplastischem Kunststoff beitragen können.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Sitzschale eines Kraftfahrzeugs aus einem ersten Abschnitt aus kurzfaserverstärktem Kunststoff und einem zweiten Abschnitt aus einem langfaserverstärktem Kunststoff in Form von Organoblechen weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Bereitstellen eines Organoblechs aus einem thermoplastischen Kunststoff mit eingebetteten sich kreuzenden Langfasern bereitgestellt. Anschließend erfolgt nach dem Erwärmen des Organoblechs ein Heißpressen einer Schale mit einander gegenüberliegenden Rändern aus dem Organoblech nach Ausrichten der sich kreuzenden Langfasern. Die heiße Schale wird in einem Spritzgusswerkzeug heißgepresst und schließlich erfolgt ein Spritzgießen des Rahmens der Sitzschale unter Einbetten der Ränder der heißgepressten Schale in einen kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoff.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein dünnes, nur etwa 1 mm dickes Organoblech zunächst durch das Heißpressen vorformbar ist und die Sitzfläche der Sitzschale bildet. Dabei können die Langfasern sich von einem Rand zu einem gegenüberliegenden Rand erstrecken und entsprechend ausgerichtet werden. Das Heißpressen im Spritzgusswerkzeug dieser Schale ist kostengünstig und aufgrund des bänderweise oder plattenweise zur Verfügung stehenden Organobleches kann das Heißpressen unter gleichzeigem Ablängen der Randbereiche der Schale erfolgen, oder die Platten werden vor dem Heißpressen in Form geschnitten.
Bei dem anschließenden Spritzgießen des formstabilen Rahmens aus kurzfaserverstärktem Kunststoff können die Ränder der Schale bis zu einer Überlappung von 20 cm in das kurzfaserverstärkte, formstabile Kunststoffmaterial des Rahmens eingebettet werden. Das Organoblech kann auch als Prepreg-Halbzeug dem Heißpressen bei einer Temperatur T_H zwischen 150°C ≤ T_H ≤ 350°C ausgesetzt werden und in einem bevorzugten Temperaturbereich kann das Organoblech als Prepreg-Halbzeug einem Heißpressen auf eine Temperatur T_H zwischen 200°C ≤ T_H ≤ 300°C aufgeheizt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit Fahrersitzschale;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Schale aus Organoblech, die einen zweiten Abschnitt einer Sitzschale bildet;
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Rahmens aus kurzfaserverstärktem Kunststoff, der einen ersten Abschnitt einer Sitzschale bildet;
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer kompletten Sitzschale aus einem ersten formstabilen Abschnitt und einem zweiten Energie absorbierenden Abschnitt aus langfaserverstärktem Kunststoff.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 30 mit einer Sitzschale 1 eines Fahrersitzes, wobei hier eine hochgezogene Randseite 9 der Sitzschale 1 zu sehen ist. die sitzschale weist eine Stoßenergie abbauende Schale und einen in Bezug auf die Schale relativ formstabilen Rahmen auf. Die hochgezogene Randseite 9 wird im Bereiche einer Öffnung 18, die mit einem Schwenkgelenk 21, welches die Sitzschale mit der Rückenlehne schwenkbar verbindet, durch den formstabilen Rahmen der Sitzschale 1 verstärkt. Die Sitzschale 1 ist auf einem Sitzgestell 22 in den Pfeilrichtungen A und B gleitverschieblich und einstellbar angebracht, wobei die Öffnung 18 mit dem Schwenkgelenk 21 mit dem Sitzgestell 22 in Wirkverbindung steht und zusätzlich ein begrenztes Abwinkeln der Sitzschale 1 gegenüber dem Gestell 22 ermöglicht. Die Schale ist aus einem Organoblech mit einer relativ geringen Dicke d zwischen 0,6 mm ≤ d ≤ 1,6 mm heißgepresst, wobei das Organoblech einen langfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweist und in dieser Ausführungsform der Erfindung die Langfasern in zwei sich kreuzenden Lagen in dem thermoplastischen Kunststoff angeordnet sind.
Dieses in 2 angedeutete Gelege 14 eines Organobleches 20 aus sich kreuzenden Langfasern 12 und 13 kann auch als Geflecht oder als Gewebe ausgeführt sein, wobei die in 2 gezeigten Linien für die Langfasern 12 und 13 lediglich symbolhaft sind und in keiner Weise die Dichte oder den Füllgrad des Geleges 14 in dem Kunststoff wiedergeben. Der Füllgrad der Langfasern 12 und 13 in dem thermoplastischen langfaserverstärkten Kunststoff 6 kann bis zu 60% betragen, wobei das Organoblech 20 als Werkzeugplatte oder Halbzeugband in Form eines Prepreg-Halbzeugs geliefert wird und zum Heißpressen auf eine Temperatur T_P zwischen 150°C ≤ T_P ≤ 350°C vorzugsweise zwischen 200°C ≤ T_P ≤ 300°C aufgeheizt wird. Beim Heißpressen werden gleichzeitig formstabilisierende Sicken 23, 24 und 25 in das Organoblech 20 eingeprägt. Auf einander gegenüberliegenden Randseiten 8 und 9 werden zusätzlich Ausbuchtungen 26 und 27 für Öffnungen 18 und 19 beim Heißpressen eingeformt, um die Schale 2 für die Aufnahme von Schwenkgelenken 21, wie es in 1 gezeigt wird, vorzubereiten.
Das im Vergleich zu einem formstabilen Rahmen relativ dünne langfaserige Organoblech 20 für diese Schale 2 hat den Vorteil, dass bei Stoßbelastungen, wie sie bei Auffahrunfällen auftreten können, bei denen beispielsweise der Fahrer in den Fahrersitz gepresst wird, die auftretende Stoßenergie abbauen kann, da diese Stoßenergie teilweise in Reibungswärme zwischen den Langfasern 12 und 13 und dem thermoplastischen Kunststoff 6 umgesetzt werden kann. Diese Wirkung ist bei Kohlefasern größer als bei Glasfasern, da die Kohlefasern eine höhere Dehnbarkeit aufweisen und gegenüber Glasfasern einen verbesserten Elastizitätsmodul besitzen. Zu diesem Zweck liegt der Durchmesser D der Langfasern zwischen 0,05 mm ≤ D ≤ 0,8 mm, wobei sich die Langfasern 12 von einer Randseite 8 zu der gegenüberliegenden Randseite 9 erstrecken und die Langfasern 13 von der vorderen Randseite 10 zu der hinteren Randseite 11 ausdehnen.
Um ein Kollabieren dieser relativ dünnen Schale 2 aus Organoblech 20 bei einer Stoßbelastung während eines Auffahrunfalls zu vermeiden, werden die Randseiten 8 und 9, 10 und 11 durch einen formstabilen Rahmen 7, wie er in 3 gezeigt wird, geschützt. Dieser formstabile Rahmen 7 der 3 bildet einen ersten Abschnitt der Sitzschale 1 und ist mittels Spritzguss aus einem Kurzfaserkunststoffgemisch hergestellt.
Dabei sind Randbereiche 15 des Rahmens 7, wie er in 3 gezeigt wird, mit den Randseiten 8 und 9 sowie 10 und 11 der Schale 2 wie es 2 zeigt, stoffschlüssig durch eine bis zu 20 mm breite Überlappung verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung kann dadurch hergestellt werden, dass die heißgepresste Schale 2 der 2 in ein Spritzgusswerkzeug eingebracht wird, mit dem dann der Rahmen der 3 unter Einbettung der Randseiten 8, 9, 10 und 11 der Schale 2 der 2 in Randbereiche 15 des Rahmens 7 der 3 spritzgegossen wird.
Andererseits ist es auch möglich, den Rahmen 7 gemäß 3 und die Schale 2 gemäß 2 getrennt zu fertigen und anschließend die Randseiten 8, 9, 10 und 11 der Schale 2 mit Randbereichen 15 des Rahmens 7 stoffschlüssig zu verbinden. Außerdem weist der Rahmen verstärkte Anschlussbereiche 16 und 17 in den Bereichen der Öffnungen 18 und 19 auf, um diese für Schwenkgelenke vorgesehenen Öffnungen 18 und 19 zu stabilisieren. Dazu sind die verstärkte Anschlussbereiche 16 und 17 der Form der in 2 gezeigten Ausbuchtungen 26 und 27 angepasst.
Das Ergebnis zeigt die 4 als schematische perspektivische Ansicht einer kompletten Sitzschale 1 aus einem ersten formstabilen Abschnitt 3 mit dem kurzfaserverstärkten Kunststoff 5 und einem zweiten Energie absorbierenden Abschnitt 4 mit dem langfaserverstärkten Kunststoff 6. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Hervorzuheben ist lediglich, dass besonders die Öffnungen 18 und 19, die wie oben erwähnt Schwenkgelenke aufnehmen sollen, durch den formstabilen ersten Abschnitt 3 massiv verstärkt werden.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Sitzschale
2: Schale aus Organoblech
3: erster Abschnitt (aus erstem Material)
4: zweiter Abschnitt (aus zweitem Material)
5: kurzfaserverstärkter Kunststoff
6: langfaserverstärkter Kunststoff
7: Rahmen
8: Randseite
9: Randseite
10: Randseite
11: Randseite
12: Langfaser
13: Langfasern
14: Gelege
15: Randbereich
16: verstärkter Anschlussbereich
17: verstärkter Anschlussbereich
18: Öffnung
19: Öffnung
20: Organoblech
21: Schwenkgelenk
22: Sitzgestell
23: Sicke
24: Sicke
25: Sicke
26: Ausbuchtung
27: Ausbuchtung
30: Kraftfahrzeugs
A: Pfeilrichtung
B: Pfeilrichtung
d: Dicke
D: Durchmesser der Langfasern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2272706 A2 [0002]

Claims

Sitzschale eines Kraftfahrzeugs (30) aufweisend: – einen ersten Abschnitt (3) aus einem zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff (5) bestehenden ersten Material, – einen zweiten Abschnitt (4) aus einem faserverstärktem Kunststoff (6) bestehenden zweiten Material, wobei der erste Abschnitt (3) einen kurzfaserverstärkten Kunststoff (5) aufweist, und wobei der erste Abschnitt (3) formstabiler als der zweite Abschnitt (4) ist, der einen langfaserverstärkten Kunststoff (6) aufweist, und wobei der erste Abschnitt (3) einen den zweiten Abschnitt (4) umgebenden Rahmen (7) bildet, und wobei der zweite Abschnitt (4) eine Schale (2) bildet.
Sitzschale nach Anspruch 1, wobei die Schale (2) einander gegenüberliegende Randseiten (8, 9, 10, 11) aufweist und sich kreuzende Langfasern (12, 13) des langfaserverstärkten Kunststoffs (6) von einer Randseite (8, 10) zu einer gegenüberliegenden Randseite (9, 11) erstrecken.
Sitzschale nach Anspruch 2, wobei die Langfasern sich kreuzend in einem Gelege (14), Geflecht oder Gewebe angeordnet sind.
Sitzschale nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Randseiten (8, 9, 10, 11) des zweiten Abschnitts (4) in Randbereiche (15) des ersten Abschnitts (3) eingebettet sind.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (3) die mindestens doppelte Dicke des zweiten Abschnitts (4) aufweist.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (3) verstärkte Anschlussbereiche (16, 17), die mit einem Sitzgestell in Eingriff stehen, aufweist.
Sitzschale nach Anspruch 6, wobei die Anschlussbereiche (16, 17) des ersten Abschnitts (3) Öffnungen (18, 19) aufweisen, die mit Schwenkgelenken (21) des Sitzgestells (22) in Eingriff stehen.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Langfasern (12, 13) der Schale (2) in einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schale (2) eine Dicke d von 0,8 mm ≤ d ≤ 1,6 mm aufweist.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Langfasern (12, 13) einer Durchmesser D von 0,4 mm ≤ D ≤ 0,8 mm aufweisen.
Sitzschale nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (12, 13) Glas- oder Kohlefasern aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Sitzschale (1) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Sitzschale (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Organoblechs (20) aus einem thermoplastischen Kunststoff mit eingebetteten sich kreuzenden Langfasern (12, 13); – Heißpressen einer Schale (2) mit einander gegenüberliegenden Rändern (8, 9, 10, 11) aus dem Organoblech (20) nach Ausrichten der sich kreuzenden Langfasern (12, 13); – Einlegen der heißgepressten Schale (2) in ein Spritzgusswerkzeug eines Rahmens (7) der Sitzschale (1), – Spritzgießen des Rahmens (7) der Sitzschale (1) unter Einbetten der Ränder der heißgepressten Schale (2) in einen kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff (5).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Randseiten (8, 9, 19, 11) der Schale bis zu einer Überlappung von 20 cm in ein kurzfaserverstärktes Kunststoffmaterial (5) des Rahmens (7) eingebettet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Organoblech (20) als Prepreg-Halbzeug einem Heißpressen bei einer Temperatur T_H zwischen ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Organoblech (20) als Prepreg-Halbzeug einem Heißpressen bei einer Temperatur T_H zwischen 200°C ≤ T_H ≤ 300°C ausgesetzt wird.