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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Strukturbauteil, insbesondere ein mittels Thermoplast-Spritzguss herstellbares Strukturbauteil. Die Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines Spritzguss-Strukturbauteils.
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In beispielhaften Ausgestaltungen bezieht sich die Offenbarung auf solche Strukturbauteile, die bei Fahrzeugen, insbesondere innerhalb eines Fahrzeugkörpers, zur Anwendung kommen. Derartige Strukturbauteile können Abteile bilden, die beispielhaft zur Aufnahme von Gepäckstücken und ähnlichem dienen. Strukturbauteile können auch zur Aufnahme von Ersatzrädern sowie zur Beherbergung von Bauteilen des Fahrzeugs (beispielsweise Steuergeräte, Batterien und dergleichen) und ähnlichem dienen.
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Fahrzeuge, beispielsweise Personenkraftwagen, weisen eine Vielzahl von Baugruppen und Komponenten auf. Es gibt den anhaltenden Trend, Bauteile für Fahrzeuge mittels Kunststoff-Spritzguss herzustellen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Gehäuse für Baugruppen, aber auch Abteile für Gepäck und dergleichen herstellen. Ein Auslegungsziel bei der Gestaltung von Fahrzeugbauteilen ist regelmäßig die Gewichtsreduzierung. Dies darf jedoch nicht zu Lasten der Funktion und der Stabilität der Bauteile erfolgen. Sowohl im Betrieb als auch bei der Herstellung von Fahrzeugen wird mehr und mehr auf Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit geachtet. Dazu gehört auch ein möglichst geringer Einsatz an Rohstoffen (insbesondere an Primärrohstoffen). Ferner gibt es in verschiedenen Ländern regulatorische Eingriffe, beispielsweise werden in Abhängigkeit bestimmter (verbrauchsabhängiger) Emissionswerte Abgaben erhoben.
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Umgekehrt können sich durch alternative Antriebe (Elektromobilität und dergleichen) gestalterische Freiheiten ergeben, die eine Erhöhung des Kundennutzens erlauben. Beispielsweise ist bei reinen Elektrofahrzeugen (BEV) kein Verbrennungsmotor mehr erforderlich, stattdessen werden kompakt gestaltete Elektromotoren verbaut. Demgemäß sind Gestaltungen möglich, bei denen statt eines vom Verbrennungsmotor beanspruchten (konventionellen) Motorraums an der Front oder am Heck des Fahrzeugs ein freier Raum nutzbar ist, beispielsweise zur Aufnahme von Gepäck oder von Fahrzeugkomponenten.
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Insbesondere an der Front (Stirnseite, Vorderwagen) von Fahrzeugen müssen zudem allfällige Vorschriften hinsichtlich der Crashsicherheit (Fußgänger-Crash) sowie technische Auslegungsziele (Luftwiderstand) beachtet werden. Daher steht häufig ein Raum zur Verfügung, der anderweitig als zur Aufnahme verbrennungsmotorischer Komponenten nutzbar ist. Zu beachten ist, dass der Vorderwagen eines Fahrzeugs naturgemäß andere relevante Komponenten als verbrennungsmotorische Komponenten beherbergt. Dies umfasst beispielsweise Lenkungskomponenten, Fahrwerkskomponenten, Klimatisierungskomponenten, Steuerkomponenten und Ähnliches. Es gibt also im Regelfall eine vorgegebene Struktur, die bei der Implementation weiterer Bauteile und Funktionen berücksichtigt werden muss.
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So lässt sich beispielsweise bei reinen E-Fahrzeugen oft ein zusätzliches Gepäckabteil im Vorderwagen, der bei konventionellen Fahrzeugen den Verbrennungsmotor beherbergt, realisieren. Aufgrund gegebener Randbedingungen (Lenksystem, Vorderachse und dergleichen) wird zum Beispiel auf selbsttragende Kofferraumwannen zurückgegriffen, die eine hinreichende Eigenstabilität aufweisen. Die Eigenstabilität berücksichtigt übliche Lastfälle, die sich im täglichen Betrieb ergeben können. Dies umfasst beispielsweise bei Abteilen zur Aufnahme von Gepäck bestimmte Beschleunigungen (beispielsweise Beschleunigen, Abbremsen, schnelle Kurvenfahrt) bzw. Stöße (beispielsweise Fahrt durch Schlaglöcher). Hierbei sollen strukturelle Schäden vermieden werden.
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Dies führt jedoch bei derlei Bauteilen häufig zu einer nicht zu vernachlässigenden Masse. Damit stehen diese Bauteile trotz des erhöhten Kundennutzens im Widerspruch zu der eigentlich gewünschten Gewichtsreduzierung.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, als Behältnis dienende Strukturbauteile anzugeben, die zur Erhöhung des Kundennutzens beitragen können und gleichwohl übrige Randbedingungen bei der Gestaltung von Fahrzeugen nicht außer Acht lassen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sollen als Behältnis dienende Strukturbauteile angegeben werden, die eine hinreichende strukturelle Stabilität gewährleisten und gleichwohl leichtgewichtig sind. Die Bauteile sollen sich für die Serienfertigung und Massenfertigung im Automobil-Umfeld eignen. Ferner soll ein korrespondierendes Verfahren zur Bereitstellung eines als Behältnis dienenden Strukturbauteils angegeben werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein als Behältnis dienendes Strukturbauteil für ein Fahrzeug, das Folgendes aufweist:
- - einen wannenartig gestalteten Behälterabschnitt, der ein Abteil ausbildet und einen Bodenbereich und zwei oder mehr Wandbereiche aufweist, die gegenüber dem Bodenbereich zumindest abschnittsweise geneigt sind,
- - einen Randbereich, der insbesondere als umlaufender Randbereich gestaltet ist,
- wobei im Randbereich Befestigungselemente vorgesehen sind, die um den Behälterabschnitt verteilt angeordnet sind, insbesondere umfänglich um den Behälterabschnitt verteilt angeordnet,
- wobei der Behälterabschnitt und der Randbereich aus einem mittels Spritzguss verarbeitbaren faserverstärkten Thermoplast-Werkstoff gebildet sind, und
- wobei das Strukturbauteil zumindest abschnittsweise eine poröse Innenstruktur aufweist, die durch Schäumen des Thermoplast-Werkstoffs erzeugt ist.
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Die Aufgabe der Offenbarung wird auf diese Weise gelöst.
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Offenbarungsgemäß lassen sich nämlich derartige Bauteile unter Erfüllung der Zielvorgaben für Festigkeit und Stabilität bei deutlich reduziertem Gewicht fertigen. Serienfertigung und Massenfertigung ist möglich, bei vertretbarem Zusatzaufwand für das Schäumen.
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Als geeignete Kunststoffwerkstoffe kommen Thermoplaste für technische Anwendungen in Betracht. Dies umfasst beispielsweise Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff (ABS) deren Derivate und vergleichbare Kunststoffe. Der Thermoplast-Werkstoff ist üblicherweise mit Fasern verstärkt, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern (Kevlar), Kohlenstofffasern und ähnliches.
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Durch das Schäumen kann die Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils erhöht werden. Die Dichte im Inneren des Bauteils kann reduziert werden. Die Dimensionsstabilität kann sich erhöhen. Einfallstellen und ähnliche prozessbedingte Effekte mit nachteiligen Auswirkungen auf die Bauteilqualität können reduziert werden.
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Die Erzeugung des zumindest partiell geschäumten Bauteils aus einem Thermoplast-Werkstoff kann als Thermoplast-Schaumspritzgießen bezeichnet werden. Das Schäumen kann als chemisches Schäumen oder physikalisches Schäumen vonstattengehen. Das Thermoplast-Schaumspritzgießen kann zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung führen. In einer beispielhaften Ausgestaltung lässt sich eine Reduzierung des Gewichts von mindestens 10 % erreichen, verglichen mit einem Strukturbauteil mit nichtporöser Gestaltung. In einer beispielhaften Ausgestaltung lässt sich eine Reduzierung des Gewichts von mindestens 20 % erreichen.
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Beim physikalischen Schäumen wird gezielt ein Gas (beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff) in die Schmelze eingebracht. Während der Verarbeitung erfolgt eine Durchmischung von Kunststoff und Gas, wobei ein fester, nicht poröser (d.h. kompakter) Randbereich und eine allmähliche Reduzierung der Dichte (durch eingelagerte Blasen) im Kern angestrebt wird. Im fertigen Bauteil liegen mit Gas gefüllte Zellen bestimmter Größe und bestimmter Verteilung vor, welche ein bestimmtes Volumen an Kunststoff verdrängen bzw. ersetzen. Hieraus resultiert die potentielle Gewichtseinsparung.
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Beim chemischen Schäumen wird der Werkstoff mit einem Treibmittel versehen. Das Treibmittel ist darauf ausgelegt, dass es im genutzten Schmelztemperaturbereich ein Gas zum Schäumen abspaltet, beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid.
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Im Sinne der vorliegenden Offenbarung handelt es sich bei einem Strukturbauteil um ein potenziell selbsttragendes Bauteil, das nicht unbedingt eine großflächige Unterstützung braucht. Es geht also nicht um eine Einlage, die eine großflächige Unterstützung durch andere Bauteile erfährt.
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Das Strukturbauteil ist beispielsweise nach Art einer Wanne, einer Mulde oder eines Trogs hergestellt. Das Strukturbauteil dient beispielhaft als Abteil zur Aufnahme von Gepäck, als Reserveradmulde, als Gehäuse für Steuergeräte und dergleichen. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil selbsttragend, wobei eine Befestigung an wenigen Befestigungselementen erfolgt und der Boden nicht oder nur unwesentlich unterstützt ist. Demgemäß ist das Bauteil in diesem Bereich und in benachbarten Bereichen hinreichend steif und stabil zu gestalten.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Randbereich vom Bodenbereich beabstandeten, ähnlich einem Kragen. Demgemäß kann das Strukturbauteil zumindest mit dem Randbereich auf einer umgebenden Struktur im Fahrzeug aufliegen und dort befestigt sein.
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Bei den Befestigungselementen handelt es sich beispielsweise um formschlüssige Elemente in Form von Ausnehmungen (Löchern) und Domen. Es ist jedoch auch vorstellbar, Befestigungselemente in Form von Klebeflächen vorzusehen.
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Ein Wandbereich kann eine durchgehende Wand umfassen. Demgemäß kann das Strukturbauteil als integral gefertigtes und gestaltetes Bauteil ausgeführt sein. Mit anderen Worten ist das Strukturbauteil gemäß dieser Ausgestaltung aus ein und demselben Werkstoff (glasfaserverstärkter Thermoplast) mit ein und demselben Werkzeug gefertigt. Dies schließt gleichwohl nicht aus, dass übliche Zusatzkomponenten für die Montage in das Strukturbauteil integriert oder an diesen befestigt werden. Dies betrifft beispielsweise Einlagen für Befestigungselemente und Ähnliches.
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Ein Wandbereich kann jedoch auch eine Trägerstruktur für eine Einlage/Auflage bereitstellen. Auf diese Weise dient das Strukturbauteil zumindest abschnittsweise als Gerüst. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Einlage in den Behälterabschnitt gelegt werden, um diesen zumindest teilweise auszukleiden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils erstrecken sich die zwei oder mehr Wandbereiche zwischen dem Bodenbereich und dem Randbereich erstrecken, wobei der Randbereich zumindest abschnittsweise als vom Behälterabschnitt abstehender Kragen gestaltet ist. Mit anderen Worten kann das Strukturbauteil in eine gegebene Aufnahme, beispielsweise am Vorderwagen oder Hinterwagen eines Fahrzeugs eingehangen und dort befestigt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist der Bodenbereich in einer Hauptentformrichtung gegenüber dem Randbereich versetzt. Auf diese Weise kann das Strukturbauteil beispielsweise in eine Montageöffnung am Vorderwagen eingehangen und dort befestigt werden. Wenn der Randbereich am oberen Ende des Strukturbauteils angeordnet ist, kann dieser dort ebenso als Verkleidung dienen. Gemäß einer beispielhaften Ausstattung ist das Strukturbauteil ähnlich einer Wanne mit umlaufendem Rand gestaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Strukturbauteil mittels einem Auf-Zu-Werkzeug gefertigt. Auf diese Weise lässt sich die Komplexität des Werkzeugs - trotz fallweise beträchtlicher Abmessungen - reduzieren. Gemäß dieser Ausgestaltung gibt es primär eine Hauptentformrichtung und dafür keine Nebenentformungsrichtungen. Auf seitliche Schieber, bewegliche Einsätze und dergleichen wird nach Möglichkeit verzichtet. Mit anderen Worten weist das Strukturbauteil gemäß dieser Ausgestaltung - in der Hauptentformrichtung gesehen - keine hinterschnittigen Gestaltelemente auf, die nicht in der Hauptentformrichtung entformbar sind.
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Es ist jedoch auch vorstellbar, seitliche Schieber, Einsatz und Ähnliches zu nutzen, um bestimmte Geometrien und bei Bedarf auch Hinterschnitte auszubilden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist das Strukturbauteil ferner einen Dichtungsabschnitt auf, der einem oberen Ende des Behälterabschnitts benachbart ist. Der Dichtungsabschnitt ist beispielhaft ein umlaufender Dichtungsabschnitt. Auf diese Weise lässt sich im Betrieb ein hinreichend dichter Verschluss erreichen. In einer beispielhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Dichtungsabschnitt um einen umlaufenden Dichtungsabschnitt.
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Der Dichtungsabschnitt dient beispielsweise zur Aufnahme einer Dichtung, insbesondere einer umlaufenden Dichtung. Die Dichtung kann beispielsweise einen Abschluss zu einer Haube ausbilden, mit dem das Strukturbauteil in einer geschlossenen Stellung der Haube die Haube definiert kontaktiert.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung definiert der umlaufende Dichtungsabschnitt zumindest näherungsweise eine gegenüber der horizontalen geneigte Ebene, die in der Fahrtrichtung nach unten geneigt ist. Die Fahrtrichtung bezieht sich im Ausführungsbeispiel mit im Vorderwagen angeordneter Kofferraumwanne auf die Vorwärtsfahrt.
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Beispielhaft weist der Behälterabschnitt einen Querschnitt - entlang einer vertikal orientierten Längsmittelebene durch das Fahrzeug - auf, der in etwa trapezförmig ist. Das Trapez weist eine im Wesentlichen horizontale Unterseite (Boden), zwei im Wesentlichen zueinander parallele bzw. leicht gegeneinander V-förmig geneigte Seiten (Vorderwand und Rückwand), wobei die Vorderwand eine geringere vertikale Erstreckung als die Rückwand aufweist, sowie eine gegenüber der Horizontalen geneigte Oberseite (offener Bereich) auf, die die gedachte Verbindung der oberen Enden der Vorderwand und der Rückwand ist. Es versteht sich, dass aus fertigungstechnischen Gründen (Entformbarkeit) die Vorderwand und die Rückwand nicht perfekt parallel zueinander orientiert sein müssen.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils sind die Befestigungselemente im Randbereich aus der Gruppe ausgewählt, die aus Folgendem besteht: Klebeflächen, Befestigungslöcher, Dome, Erhebungen, Vertiefungen und Befestigungslaschen. Die Befestigungselemente können Durchbrüche im Randbereich aufweisen. Die Befestigungselemente können jedoch auch geschlossen sein.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist zumindest ein Wandbereich des Behälterabschnitts abgestuft und mit einem Auflagebereich versehen, der sich näherungsweise parallel zum Bodenbereich erstreckt. Auf diese Weise kann sich auch dort eine Möglichkeit zur Unterstützung und Befestigung des Behälterabschnitts ergeben. Ein derartiger Auflagebereich lässt sich ohne großen Zusatzaufwand beim Werkzeug realisieren.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist im Auflagebereich des Wandbereichs zumindest ein Befestigungselement ausgebildet, insbesondere ein erhabenes oder versenktes Befestigungselement und/oder eine Klebefläche. Im Auflagebereich der Wand können ebenso Befestigungselemente ausgebildet sein. Es bieten sich geschlossene Befestigungselemente an, da der Auflagebereich Bestandteil des Behälterabschnitts ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist der Behälterabschnitt eine Vorderwand, eine Rückwand und eine erste und eine zweite Seitenwand auf, wobei die Vorderwand in einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs gegenüber der Rückwand versetzt ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Abteil zur Aufnahme von Gepäck, Bauteilen oder ähnlichem. Es lässt sich zielgerichtet derjenige Bauraum nutzen, der beim jeweiligen Fahrzeugkonzept zur Verfügung steht.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils erstreckt sich der Bodenbereich des Behälterabschnitts im Wesentlichen horizontal. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils definiert der Randbereich, insbesondere in Nachbarschaft zum Dichtungsabschnitt, zumindest näherungsweise eine gegenüber der Horizontalen geneigte Ebene, die in der Fahrtrichtung nach unten geneigt ist. Auf diese Weise kann sich insgesamt bei einer Verwendung als im Vorderwagen angeordnetes Bauteil eine keilförmige Gestaltung des Fahrzeugs ergeben. Zur Erzielung eines niedrigen Luftwiderstands sind Hauben häufig strömungsgünstig gestaltet und in Fahrtrichtung nach unten geneigt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist zumindest ein Wandbereich des Behälterabschnitts in einer Hauptentformrichtung entformbare Versteifungselemente auf, insbesondere in Form von Sicken und/oder Rippen mit vertikaler Längserstreckung. Mit anderen Worten können diese Versteifungselemente ohne übermäßigen Zusatzaufwand bei der Werkzeuggestaltung vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil zumindest anteilsmäßig aus einem Recyclat gefertigt. Recyclat wird üblicherweise aus Kunststoffabfällen gewonnen, wobei diverse Verfahrensschritte erforderlich sind, beispielsweise Sortieren, Reinigen, Aufbereiten, Mahlen und/oder Granulieren. Es hat sich gezeigt, dass Recyclat-Werkstoffe auch für die Fertigung mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen nutzbar sind.
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Auf diese Weise kann der Primärrohstoffeinsatz weiter reduziert werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt der Recyclat-Anteil mindestens 10 %. In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt der Recyclat-Anteil mindestens 20 %. In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt der Recyclat-Anteil mindestens 30 %.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil zumindest anteilsmäßig aus einem technischen Biopolymer gefertigt. Beispielsweise handelt es sich bei technischen Biopolymeren um Biopolymere auf Polylactidbasis (PLA). Mit derartigen Werkstoffen können übliche Thermoplaste wie Polypropylen oder Polyamid substituiert werden, zumindest bei bestimmten Anwendungen. Eine Faserverstärkung ist möglich.
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Gegenwärtig führen derartige Biopolymere zu höheren Materialkosten im Vergleich zu konventionellen thermoplastischen Werkstoffen. Die zumindest teilweise poröse Gestaltung des Strukturbauteils verringert den Materialeinsatz und damit die Kosten.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist das Strukturbauteil eine mittels Negativprägen reduzierte Dichte auf. Das sogenannte Negativprägen umfasst einen definierten Öffnungshub im Werkzeug während des Erstarrens des Bauteils. Randbereiche sind dabei üblicherweise bereits erstarrt. Der aufgrund des Schäumens zumindest teilweise poröse Kern kann durch das Negativprägen weiter expandiert werden, so dass sich die Dichte im Kern weiter reduzieren lässt.
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Das Schäumen des Werkstoffs kann durch ein gezieltes Öffnen des Werkzeugs um einen definierten, geringen Öffnungshub vor dem finalen Abkühlen unterstützt werden. Dieses sogenannte Negativprägen erfolgt auf Basis einer (geringen) Ausgangswandstärke und kann einen Hub im Bereich von einigen Zehntelmillimetern bis hin zu wenigen Millimetern umfassen, ohne dass ein Nachsaugen von Material erfolgt.
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Entsprechend erhöht sich das dem eingespritzten Werkstoff zur Verfügung gestellte Volumen. Im Ergebnis wird insbesondere der Kern des Strukturbauteils noch poröser. Die durch das Gas gebildeten Zellen im Bauteil expandieren entsprechend. Das Ziel ist weiterhin, eine hinreichend feinzellige Schaumstruktur mit kompakter Randschicht zu erzeugen.
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Die Gestaltfestigkeit des Bauteils lässt sich weiter erhöhen. Damit kann insgesamt bei einer definierten Beanspruchung ein noch geringeres Gewicht erzielt werden. Das Bauteil bekommen einen Sandwich-Charakter, ohne dass es einer Komposit-Bauweise aus mehreren Materialen bedarf.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist der Bodenbereich zumindest abschnittsweise eben gestaltet, wobei der Bodenbereich eine Versteifungsstruktur mit einer Mehrzahl von Versteifungselementen aufweist, insbesondere mit Rippen und/oder Sicken. Auf diese Weise kann der Bodenbereich etwa bei einem zumindest abschnittsweise selbsttragenden Strukturbauteil ohne externe Abstützung im Bodenbereich hinreichend steif und stabil gestaltet werden. Dies gilt auch für extreme Lastfälle (beispielsweise Durchfahren eines Schlaglochs bei Beladung mit schweren aber beweglichen Gepäckstücken).
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Insbesondere dann, wenn der Behälterabschnitt zur Aufnahme von Gepäck und dergleichen dient, ist ein zumindest abschnittsweise ebener Bodenbereich vorteilhaft. Ein solcher ebener Bodenbereich weist jedoch - ohne weitere konstruktive Maßnahmen - eine nur begrenzte Steifigkeit auf. Daher empfiehlt sich eine Verstärkung. Die Versteifungsstruktur ist beispielhaft an der Unterseite des Bodens ausgebildet, zumindest wesentliche Teile davon. Auf diese Weise kann die dem Innenraum (Abteil) zugewandte Oberseite des Bodens hinreichend glatt gestaltet werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist im Randbereich eine Versteifungsstruktur ausgebildet, insbesondere in Nachbarschaft zu einem Befestigungselement. D. h., auch der Randbereich, der etwa ähnlich einem Kragen oder einer Hutkrempe gestaltet ist, kann mit einer Versteifungsstruktur versehen sein. Dies ist von Vorteil, da Kräfte und Momente bei einer zumindest teilweise freitragenden Struktur des Strukturbauteils in erheblichem Maße über Befestigungselemente im Randbereich übertragen werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist die Versteifungsstruktur in der Hauptentformrichtung entformbare Rippen aufweist, die insbesondere an einer Unterseite des Bodens ausgebildet sind.
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Auf diese Weise bleibt die dem Innenbereich des Behälterabschnitts zugewandte Oberseite des Bodens teilweise oder vollständig glatt. Es sind auch Ausgestaltungen vorstellbar, bei denen an der Oberseite des Bodens Rippen oder ähnliche Gestaltelemente ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist die Versteifungsstruktur zumindest ein konstruktionsbionisches Muster aus mehreren Versteifungselementen auf. Ein konstruktionsbionisches Muster nutzt Konstruktionsweisen aus der Biologie. Diese werden auf technische Anwendungen übertragen. Es bieten sich konstruktionsbionische Formationen mit Vorbildern aus der Tier- und Pflanzenwelt an, die dortige Strukturen versteifen und für ein günstiges Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit sorgen. Ähnliches lässt sich bei technischen Bauteilen erzielen, wenn ein geeignetes konstruktionsbionisches Muster angewendet wird.
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Von derartigen Strukturen lassen sich solche auf technische Gegebenheiten übertragen, die im Einklang mit üblichen Gestaltungsprinzipien technisch realisierbar und vor allem herstellbar sind. Dies trifft beispielsweise auf bestimmte Rippengestaltungen zur Verstärkung an sich fragiler Strukturen zu. Zu beachten ist, dass beispielsweise die Fertigung mittels Kunststoff-Spritzguss gewisse Randbedingungen kennt, etwa bestimmte Mindestwandstärken, Mindestabstände, Entformschrägen, die Vermeidung von Materialanhäufungen und nur eine bedingte konstruktive Freiheit hinsichtlich der Komplexität des Werkzeugs.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist das konstruktionsbionische Muster aus der Gruppe von Formationen ausgewählt, die aus Folgendem besteht: Spinnennetz, Bambushalm, Seerosen-Blattspreite, Pilzlamellen, Schildkrötenpanzer, Bienenwaben, Napfschnecken-Schale (zum Beispiel Gemeine Napfschnecke - Patella Vulgata), Diatomeen (Kieselalgen), und Kombinationen daraus.
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Diese Formationen eignen sich für Versteifungselemente, beispielsweise um den zumindest abschnittsweise flach gestalteten Bodenbereich des Strukturbauteils zu versteifen. Eine Anwendung kann auch zur Versteifung des Randbereichs, insbesondere im Umfeld der Befestigungselemente, erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise klassische ingenieurmäßige Versteifungsstrukturen (beispielsweise Kreuzrippen in 90° Orientierung) ersetzt werden können. Diese Formationen eignen sich jedoch auch für partielle, skelettartige oder gerüstartige Versteifungsstrukturen, welche verschiedene (belastete) Abschnitte des Strukturbauteils miteinander verbinden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils weist die Versteifungsstruktur am Bodenbereich einen mittleren Abschnitt mit einem ersten konstruktionsbionischen Muster und an den mittleren Abschnitt angrenzende äußere Abschnitte mit einem zweiten konstruktionsbionischen Muster auf. Auf diese Weise können geeignete Formationen miteinander kombiniert werden. Dies kann genutzt werden, um Eigenschaften des Strukturbauteils hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit, Schwingungsverhalten, Resonanzverhalten, Eigenfrequenzen und Ähnliches zu optimieren. Dies kann auch auf lokale Bereiche des Strukturbauteils angewandt werden, die spezifischen Belastungen ausgesetzt sind.
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Beispielhaft handelt es sich bei den äußeren Bereichen um Bereiche, die - in Fahrtrichtung gesehen - rechts und links des mittleren Bereichs angeordnet sind. Dies gilt vor allem bei solchen Strukturbauteilen, bei denen sich die längere Seite parallel zur Querrichtung im Fahrzeug und die kürzere Seite parallel zur Längsrichtung erstreckt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Strukturbauteils ist im mittleren Abschnitt ein gestalterisch an einen Schildkrötenpanzer angelehntes konstruktionsbionisches Muster vorgesehen, wobei in den äußeren Abschnitten ein konstruktionsbionisches Muster vorgesehen ist, das gestalterisch an Pilzlamellen oder ein Spinnennetz angelehnt ist. Auf diese Weise ergibt sich beispielsweise bei einem flachen Boden eines Behälterabschnitts eines freitragenden Strukturbauteils ein günstiges Verhältnis aus Festigkeit, Gewicht und Resonanzverhalten. Das konstruktionsbionische Muster in den äußeren Abschnitten ist in einer beispielhaften Ausgestaltung in Richtung auf den mittleren Bereich aufgefächert.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil als vordere Kofferraumwanne ausgebildet, insbesondere als freitragende vordere Kofferraumwanne. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil als hintere Kofferraumwanne ausgebildet, insbesondere als freitragende hintere Kofferraumwanne. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil als Reserveradmulde ausgebildet, insbesondere als freitragende Reserveradmulde. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil als Gehäuse für Steuergeräte gestaltet, zumindest als Teilgehäuse davon. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Strukturbauteil als Luftfiltergehäuse gestaltet, zumindest als Teilgehäuse davon.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung verstärkt das Strukturbauteil eine karosserieseitige Crashstruktur des Fahrzeugs. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung als vordere oder hintere Kofferraumwanne genutzt werden. Wenn das Strukturbauteil eine hinreichende Eigenstabilität aufweist und beispielsweise als selbsttragendes Strukturbauteil gestaltet ist, erhöht sich dadurch die Festigkeit des Fahrzeugs, beispielsweise beim Vorderwagen oder beim Hinterwagen, wenn das Strukturbauteil an entsprechenden Aufnahmen aufgenommen ist. Auf diese Weise kann das Strukturbauteil direkt oder indirekt mit der Karosserie und gegebenenfalls weiteren tragenden Teilen des Fahrzeugs verbunden werden und somit das Crashverhalten günstig beeinflussen. Dies kann im Umkehrschluss zu Materialeinsparungen und einer Gewichtsreduzierung bei anderen Komponenten des Fahrzeugs führen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines Spritzguss-Strukturbauteils für ein Fahrzeug, mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellung eines Referenzdesigns, das zumindest einer strukturellen Randbedingung unterliegt, die zumindest eine Referenzlast berücksichtigt,
- - Ermittlung zumindest eines Auslegungsparameters, insbesondere einer Versteifungsstruktur und/oder einer Wandstärke des Strukturbauteils,
- - rechnergestützte Analyse zu Ermittlung eines Lastzustands bei einer gegebenen Referenzlast,
- - Optimierung der Geometrie des Bauteils auf Basis des Referenzdesigns, umfassend:
- - Optimierung des Bauteils unter Nutzung konstruktionsbionischer Verfahren zur Auswahl, Anordnung und Detailgestaltung von Versteifungselementen der Versteifungsstruktur, und/oder
- - Optimierung der Wandstärke des Bauteils unter Berücksichtigung einer zumindest abschnittsweise porösen Innenstruktur,
wobei die Optimierung die zumindest eine strukturelle Randbedingung und das Gewicht des Strukturbauteils berücksichtigt, - - Erzeugung eines Spritzguss-Werkzeugs auf Basis der optimieren Geometrie, und
- - Herstellung des Strukturbauteils mit der Spritzguss-Form mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen zu Erzeugung der zumindest abschnittsweise porösen Innenstruktur.
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Auf diese Weise wird die Aufgabe der Offenbarung gelöst.
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Es versteht sich, dass das offenbarungsgemäße Verfahren analog zu den offenbarungsgemäßen Ausführungsformen des Strukturbauteils ausgestaltet sein kann.
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Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt der Optimierung der Geometrie des Bauteils ferner:
- - Definition eines definierten Öffnungshubs des Spritzguss-Werkzeugs zur Wandstärkenerhöhung und Reduzierung der Dichte des Strukturbauteils.
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Die Optimierung bezieht sich beispielsweise auf Maßnahmen zur Erhöhung der Wandstärke unter Reduzierung der gegebenen Dichte. Zu diesem Zweck kann auf Maßnahmen zu Erzeugung einer porösen Innenstruktur zurückgegriffen werden. Die Optimierung kann sich auch auf die Erzeugung und Ausgestaltung konstruktiver Versteifungen beziehen, beispielsweise einer Rippenstruktur und/oder Sickenstruktur.
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Die Optimierung wird üblicherweise in einem bestimmten Anwendungsbereich vorgenommen, beispielsweise im Bodenbereich oder Randbereich. Die Optimierung betrifft üblicherweise Maßnahmen zur Erzielung einer bestimmten Festigkeit und Steifigkeit des Strukturbauteils, wobei das Gewicht des Bauteils reduziert werden soll.
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Zur flächigen Aussteifung können grundlegende Muster und Formationen ähnlich belasteter biologischer Vorbilder aus der Tierwelt oder Pflanzenwelt genutzt werden. Die Übertragung auf technische Strukturen umfasst beispielsweise eine Reduktion der Formationen auf ihre grundlegenden Strukturen. Ferner erfolgt üblicherweise eine Anordnung und Anpassung der Versteifungselemente unter Berücksichtigung gegebener Belastungspfade (Kraftpfade). Die Auslegung und Anordnung erfolgt unter Berücksichtigung einer fertigungsgerechten Gestaltung.
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Geeignete biologische Formationen sind beispielsweise Diatomeen (Kieselalgen), Radiolarien (Strahlentierchen), Panzerstrukturen (beispielsweise Schildkröte) und flächige Blattstrukturen (beispielsweise Seerose). Diese Formationen können miteinander kombiniert werden. Es bietet sich eine zumindest abschnittsweise Anordnung in belasteten Bereichen an, beispielsweise unter Berücksichtigung der Hauptentformrichtung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines als Behältnis dienenden Strukturbauteils;
- 2: eine vereinfachte Seitenansicht des Strukturbauteils gemäß 1 in einem in einen Vorderwagen eines Fahrzeugs eingebauten Zustand;
- 3: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines gegenüber der Darstellung in 1 weiter detaillierten Strukturbauteils;
- 4: eine frontale Ansicht des Strukturbauteils gemäß 3;
- 5: eine weitere Ansicht des Strukturbauteils gemäß 3, von unten her;
- 6: eine Detailansicht des in 5 gezeigten Strukturbauteils;
- 7: eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Versteifungsstruktur mit verschiedenen Abschnitten;
- 8: eine weitere schematische Ansicht einer Versteifungsstruktur mit verschiedenen Abschnitten, die auf konstruktionsbionischen Mustern beruhen;
- 9: eine weitere schematische Ansicht einer Versteifungsstruktur mit einem konstruktionsbionischen Muster;
- 10-15: verschiedene schematische Darstellungen konstruktionsbionischer Muster, die zur Erzeugung von Versteifungsstrukturen nutzbar sind;
- 16: eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines als Behältnis dienenden Strukturbauteils;
- 17: eine weitere perspektivische Ansicht auf Basis von 17 zur Veranschaulichung einer gerüstartigen konstruktionsbionischen Versteifungsstruktur;
- 18: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines als Behältnis dienenden Strukturbauteils;
- 19: eine schematische, vereinfachte Ansicht eines Werkzeugs zur Veranschaulichung eines Prozesses zur Erzeugung eines geschäumten Spritzguss-Bauteils;
- 20 und 21: schematische, vereinfachte Ansichten eines Werkzeugs zur Veranschaulichung eines Prozesses zur Erzeugung eines mittels Negativprägen erzeugten Spritzguss-Bauteils mit verringerter Dichte; und
- 22: ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Bereitstellung eines Spritzguss-Strukturbauteils.
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Mit Bezugnahme auf die 1 und 2 wird eine grundsätzliche Ausgestaltung eines Strukturbauteils veranschaulicht, bei dem verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung anwendbar sind. Ergänzend wird auf Basis der 1 und 2 auf die detailliertere Darstellung eines Strukturbauteils in den Figuren in den 3-5 verwiesen.
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Weitere beispielhafte Ausgestaltungen einschlägiger Strukturbauteile werden in Zusammenhang mit den 16, 17 und 18 veranschaulicht. Hinsichtlich verschiedener Merkmale wird in diesem Zusammenhang auf die folgende Beschreibung der 1-5 verwiesen. Der Fachmann wird diese Ausführungsbeispiele konsultieren, um die Ausführungsbeispiele gemäß den 16-18 andere Ausführungsformen bedarfsweise zu komplettieren.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mit 10 bezeichneten Strukturbauteils, das als Behältnis dient. Im Ausführungsbeispiel ist das Strukturbauteil 10 als Kofferraumwanne 12 ausgebildet, beispielsweise als vordere Kofferraumwanne 12, vergleiche hierzu 2. Das in 1 dargestellte Strukturbauteil 10 weist einen Behälterabschnitt 20 auf, der ein Abteil (Innenraum) 22 definiert. Der Behälterabschnitt 20 ist etwa wannenartig oder trogartig gestaltet. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Behälterabschnitt 20 einen Bodenbereich 24 sowie Wandbereiche 28, 30, 32, 34, die gemeinsam mit dem Bodenbereich 24 das Abteil 22 begrenzen.
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In 1 ist ferner durch einen mit 38 bezeichneten Pfeil die Fahrtrichtung (bei Vorwärtsfahrt) veranschaulicht, vergleiche wiederum 2. Daher können der Wandbereich 28 als Vorderwand, der Wandbereich 30 als Rückwand und die Wandbereiche 32, 34 als Seitenwände bezeichnet werden.
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In 1 veranschaulichen mit 40, 42, 44 bezeichnete Pfeile ein kartesisches Koordinatensystem. Pfeil 44 bezeichnet die Höhenerstreckung (Vertikale). Die Pfeile 40, 42 sind horizontal und rechtwinklig zur Vertikalen (Pfeil 44) orientiert. Die Pfeile 40, 42 sind zueinander rechtwinklig orientiert. Pfeil 40 bezeichnet eine Längserstreckung (Längsrichtung), im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung 38. Pfeil 42 bezeichnet eine Seitenerstreckung (Seitenrichtung/Querrichtung), im Wesentlichen rechtwinklig zur Fahrtrichtung 38. Der Pfeil 38 ist parallel zu einer vertikal orientierten Längsmittelebene durch das Fahrzeug, die im Ausführungsbeispiel durch die Pfeile 40, 44 definiert ist. Im Ausführungsbeispiel schneidet die Längsmittelebene das Strukturbauteil 10 etwa mittig. Das Koordinatensystem 40, 42, 44 dient im Ausführungsbeispiel zur Veranschaulichung von Richtungen und absoluten/relativen Positionen und Orientierungen. Es versteht sich, dass auch andere Koordinatensysteme zur Beschreibung offenbarungsgemäßer Ausführungsformen nutzbar sind. Der Fachmann kann etwaige Transformationen durchführen.
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In 1 ist ferner mit 46 an Doppelpfeil angedeutet, der eine Hauptentformrichtung für das Strukturbauteil 10 veranschaulicht. Die Hauptentformrichtung 46 ist im Ausführungsbeispiel parallel oder im Wesentlichen parallel zur Vertikalen 44. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
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Gestaltelemente des Strukturbauteils 10, die in der Hauptentformrichtung 46 entformbar sind, reduzieren den Fertigungsaufwand und den Werkzeugaufwand und insbesondere den Aufwand zu Erzeugung eines Spritzguss-Werkzeugs zur Herstellung des Strukturbauteils 10. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung kann das Strukturbauteil 10 mit einem Auf-Zu-Werkzeug hergestellt werden, ohne seitliche Schieber, bewegliche Kerne und dergleichen. Andere Gestaltungen sind gleichwohl denkbar.
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Ein Randbereich 48 umgibt den Behälterabschnitt 20. Im Ausführungsbeispiel ist der Randbereich 48 beim oberen Ende des Behälterabschnitts 20 vorgesehen. Der Randbereich 48 umgibt den Behälterabschnitt 20 ähnlich einem Kragen oder einer Krempe. In beispielhaften Ausgestaltungen ist das Strukturbauteil 10 selbsttragend oder zumindest teilweise selbsttragend gestaltet. Dies umfasst beispielsweise eine Aufnahme/Auflage des Strukturbauteils 10 primär über den Randbereich 48 und dort angeordnete Befestigungselemente 50. Mit anderen Worten „hängen“ beispielsweise der Bodenbereich 24 bzw. der Behälterabschnitt 20 zumindest abschnittsweise frei ohne zusätzliche Unterstützung. Dies bedingt aufgrund der nicht unerheblichen Größe des Strukturbauteils 10 und des Behälterabschnitts 20 Maßnahmen zur Erhöhung der Festigkeit und zur Versteifung.
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2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Vorderwagens 62 eines Fahrzeugs 62. Der Vorderwagen 62 beherbergt ein Strukturbauteil in Form einer Kofferraumwanne 12. Die Kofferraumwanne 12 weist einen Bodenbereich 24 und eine hiervon abgewandte Öffnung 36 auf. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 umgibt der Randbereich 48 die Öffnung 36 des Abteils 22. Die Öffnung 36 und das Abteil 22 können durch eine Fronthaube 64 verschlossen werden.
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Die Darstellung gemäß 2 veranschaulicht ferner, dass im Ausführungsbeispiel der Bodenbereich 24 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Hingegen definieren der Randbereich 48 bzw. die Öffnung 36 eine Ebene 66, die in der Fahrtrichtung 38 (Vorwärtsfahrt) leicht nach unten geneigt ist. Auf diese Weise wird dem Wunsch nach einem geringen Strömungswiderstand beim Vorderwagen 62 Rechnung getragen. Die in 2 gezeigte Anordnung der Kofferraumwanne 12 eignet sich insbesondere für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), aber auch für andere Fahrzeugtypen. In grundsätzlich ähnlicher Weise können offenbarungsgemäße Strukturbauteile im Hinterwagen oder an anderer Stelle eines Fahrzeugs vorgesehen sein.
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Mit ergänzender Bezugnahme auf die 3-6 wird auf Basis der 1 und 2 das dort in höherem Detaillierungsgrad gezeigte Strukturbauteil 10 veranschaulicht. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht. 4 zeigt eine frontale Ansicht, 5 zeigt eine Ansicht von unten her. 6 zeigt eine Detailansicht eines in 5 gezeigten Ausschnitts.
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Das Strukturbauteil 10 fungiert als (frontale) Kofferraumwanne 12 und ist mit einem trogartigen oder wannenartigen Behälterabschnitt 20 versehen, der ein Abteil (Innenraum) 22 umgibt. Der Behälterabschnitt 20 umfasst einen Bodenbereich 24 sowie Wandbereiche 28 (Vorderwand), 30 (Rückwand), 32 (Seitenwand), 34 (Seitenwand). Oberhalb des Behälterabschnitts 20 des Strukturbauteils 10 ist ein Randbereich 48 vorgesehen, der als umlaufender Randbereich gestaltet ist. Wesentliche Abschnitte und Gestaltelemente des Strukturbauteils 10 können in der Hauptentformrichtung 46 entformt werden.
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Der Randbereich 48 ist in der Fahrtrichtung 38 leicht nach unten geneigt. Das Strukturbauteil 10 eignet sich als Kofferraumwanne 12 im Vorderwagen 62 eines Fahrzeugs 60, vergleiche erneut 2. Das Abteil 22 fungiert als Innenraum zur Aufnahme von Gepäckstücken und ähnlichem. Beim Betrieb des Fahrzeugs können durch solche Ladegüter bestimmte Lasten auf das Strukturbauteil 10 und insbesondere den Behälterabschnitt 20 ausgeübt werden.
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Dies betrifft einerseits statische Lasten durch das Gewicht der Ladegüter. Ferner können trägheitsbedingte dynamische Lasten auftreten, beispielsweise beim Durchfahren von Schlaglöchern Kräfte und Stöße in der Vertikalen (vergleiche Doppelpfeil 44). Derartige Lasten wirken beispielsweise vertikal auf den Bodenbereich 24. Beim Beschleunigen und Abbremsen können Kräfte in der Längsrichtung (Doppelpfeil 40) auftreten, beispielsweise Kräfte und Stöße auf die Rückwand 30 beim Beschleunigen sowie Kräfte und Stöße auf die Vorderwand 28 beim Abbremsen. Bei Kurvenfahrt können in der Querrichtung (Doppelpfeil 42) orientierte Kräfte und Stöße auf die Seitenwände 32 (Linkskurve) bzw. 34 (Rechtskurve) auftreten. Das Strukturbauteil 10 sollte so gestaltet sein, dass derartigen Lasten und Stößen dauerhaft standgehalten werden kann. Dies sollte nach Möglichkeit bei einem geringen Gewicht (gleichbedeutend mit Materialbedarf) realisiert werden.
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Offenbarungsgemäß ist das Kunststoff-Spritzgussmaterial des Strukturbauteils 10 zumindest abschnittsweise porös gestaltet, wodurch insgesamt die Dichte des Bauteils reduziert wird. Vorzugsweise sind nahe der Oberfläche des Strukturbauteils 10 liegende Bereiche kompakt (nicht porös) gestaltet. Hingegen ist bevorzugt, insbesondere den Kern innerhalb des Bauteils porös zu gestalten. Zu diesem Zweck bietet sich das Thermoplast-Schaumspritzgießen an. Auf diese Weise lassen sich im Vergleich zu kompakt gestalteten Strukturbauteilen bei vergleichbarer Festigkeit und Steifigkeit beträchtliche Gewichtseinsparungen erzielen. Dies ist auch im industriellen Maßstab im Bereich der Massenfertigung oder Serienfertigung mit hoher Prozesssicherheit möglich. Ferner können mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen bedarfsweise sogenannte Biopolymere und/oder sogenanntes Recyclat verarbeitet werden. Auf diese Weise kann der Anteil an Erdöl-basierten Primärrohstoffen reduziert werden.
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Das in den 3, 4 und 5 gezeigte als Kofferraumwanne 12 gestaltete Strukturbauteil 10 weist verschiedene Befestigungselemente 50, 52, 54 auf, die im Ausführungsbeispiel im Randbereich 48 ausgebildet sind. Beispielhaft eignet sich eine Ausnehmung im Form eines Durchgangslochs als Befestigungselement. Hier kann ein Befestigungselement, etwa in Form einer Schraube, eines Stopfens oder eines Niets durchgeführt werden. Andere Befestigungselemente sind vorstellbar, etwa offene oder geschlossene Aussparungen, Klebeflächen, Auflageflächen, Passflächen, Vorsprünge und Ähnliches. Befestigungselement können zur kraftschlüssigen/reibschlüssigen Befestigung, stoffschlüssigen Befestigung und/oder formschlüssigen Befestigung ausgebildet sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist beim Übergang zwischen dem Behälterabschnitt 20 und dem Randbereich 48 ein Dichtungsabschnitt 70 vorgesehen, der beispielhaft als umlaufender Dichtungsabschnitt gestaltet ist. Auf diese Weise kann am Dichtungsabschnitt 70 eine Dichtung aufgenommen werden. Somit kann sich eine hinreichend dichte Abdeckung der Kofferraumwanne 12 ergeben, beispielsweise bei geschlossener Haube am Fahrzeug.
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Die 3 und 4 zeigen, dass das Strukturbauteil 10 ferner im Bereich der Seitenwand 32 und der gegenüberliegenden Seitenwand 34 einen Auflagebereich 74 aufweist, der etwa als Stufe in der Seitenwand 32, 34 ausgebildet ist. Auch über den jeweiligen Auflagebereich 74 kann das Strukturbauteil 10 zumindest abschnittsweise aufliegen und befestigt werden. Zur Befestigung eignen sich Befestigungselemente 76, die im Ausführungsbeispiel etwa als Vorsprünge in Form von Domen gestaltet sind. Auf diese Weise kann der tatsächlich freitragende Bereich des Strukturbauteils 10 reduziert werden. Ferner zeigen die 3 und 4 in Zusammenschau sich vertikal erstreckende Versteifungselemente 80, die in den Wandbereichen 28, 30, 32, 34 angeordnet sind. Die Versteifungselemente 80 sind beispielhaft als Sicken oder Wölbungen mit vertikaler Längserstreckung gestaltet. Die Versteifungselemente 80 sind in der Hauptentformrichtung 46 entformbar.
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In 4 ist mit 82 ein Anwendungsbereich angedeutet, der zumindest einen Abschnitt des Bodenbereichs 28 des Strukturbauteils 10 umfasst. Im Anwendungsbereich 82 empfehlen sich Maßnahmen zur Erhöhung der Festigkeit/Steifigkeit. 5 zeigt eine Ansicht auf das Strukturbauteil 10 von unten her, wobei exemplarisch der Anwendungsbereich 82 hervorgehoben ist. Dort - im Bodenbereich 24 - ist eine Versteifungsstruktur 90 mit einem konstruktionsbionischen Muster 92 vorgesehen. Das konstruktionsbionische Muster 92 umfasst Versteifungselemente 94, etwa in Form von Sicken oder Rippen. Im Ausführungsbeispiel ist das konstruktionsbionische Muster 92 einem Spinnennetz nachempfunden, wobei Versteifungselemente 94 in Form von Rippen die Formation nachbilden. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Materialeinsatz (bei geringem Gewicht) eine hinreichend belastbare Versteifungsstruktur 90 erzeugen.
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In 5 ist ferner mit 84 ein lokaler Anwendungsbereich bezeichnet, der im Ausführungsbeispiel im Umfeld des Befestigungselements 54 im Randbereich 48 angeordnet ist. Es versteht sich, dass der Randbereich 48 auch in anderen Abschnitten oder umfänglich als Anwendungsbereich dienen kann. 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Anwendungsbereichs 84 in Nachbarschaft zum Befestigungselement 54. Es ist eine Versteifungsstruktur 96 mit konstruktionsbionischen Muster 92 vorgesehen, welches Versteifungselemente 98 umfasst. Die Versteifungselemente 98 weisen eine aufgefächerte Gestaltung auf. Das konstruktionsionische Muster 92 ist der Blattstruktur einer Seerose nachempfunden, insbesondere der Stützstruktur der Blattspreite (vergleiche Amazonas-Riesenseerose, Blattunterseite). Ein Segment dieser biologischen Formation wird an die gegebene Gestalt im Umfeld des Befestigungselements 54 angepasst. Diese Versteifungsstruktur 96 kann um den Randbereich 48 des Strukturbauteils 10 verteilt vorgesehen sein, zumindest weitere Abschnitte davon bedecken.
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7 veranschaulicht anhand einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine weitere Ausgestaltung einer Versteifungsstruktur 90, die bei einem Anwendungsbereich 82 zu Anwendung kommt, vergleiche den Anwendungsbereich 82 im Bodenbereich 24 in den 4 und 5. In 7 ist der Anwendungsbereich 82 in mehrere Abschnitte 100, 102, 104 unterteilt, in denen die Versteifungsstruktur 90 ausgebildet ist. Pfeil 38 kennzeichnet die Fahrtrichtung und damit die Anordnung der Abschnitte. Abschnitt 100 ist ein mittiger, zentraler Abschnitt. Die Abschnitte 102, 104 sind seitliche Abschnitte, zwischen denen der Abschnitt 100 angeordnet ist.
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8 basiert auf der Darstellung gemäß 7 und zeigt, dass das konstruktionsbionische Muster 92 in den Abschnitten 100, 102, 104 verschiedene biologische Formationen zum Vorbild haben kann. Abschnitt 100 ist beispielsweise einem Schildkrötenpanzer nachempfunden. Die Abschnitte 102, 104 weisen jeweils einen Segmentabschnitt mit einer radial ausgerichteten, strahlenförmigen Gestaltung sowie mit verstärkenden, konzentrisch orientierten Ringabschnitten auf. Die in den Abschnitten 100, 102, 104 angeordneten Formationen können Versteifungselemente, insbesondere Rippen im Bodenbereich 24 des Strukturbauteils 10 ausbilden, vergleiche wiederum 4 und 5. Im Ausführungsbeispiel sind die Formationen der seitlichen Abschnitte 102, 104 in Richtung auf den Abschnitt 100 aufgefächert. Im Ausführungsbeispiel ist das gedachte Zentrum der Formationen in den seitlichen Abschnitten 102, 104 außerhalb des Anwendungsbereichs 82 platziert.
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In ähnlicher Weise veranschaulicht 9 einen Anwendungsbereich 82 für ein konstruktionsbionisches Muster 92. In 9 ist die gebildete Formation 120 der Blattstruktur einer Seerose nachempfunden, insbesondere der Stützstruktur der Blattspreite (vergleiche Amazonas-Riesenseerose, Blattunterseite). Auch auf diese Weise kann ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit und Gewicht erzielt werden. Wenn eine solche Struktur im Bodenbereich 24 eines als Kofferraumwanne 12 dienenden Strukturbauteil 10 vorgesehen wird, ergibt sich eine günstige Anpassung an den Lastfall „Schlagloch“.
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Die 10-13 veranschaulichen weitere konstruktionsbionische Muster, die biologische Formationen nachempfunden sind. Diese Muster können als Vorbild für eine gewählte Versteifungsstruktur beim Strukturbauteil 10 dienen. 10 zeigt eine einem Schildkrötenpanzer nachempfundene Formation 122. 11 zeigt eine der Lamellenstruktur an der Unterseite eines Pilzhutes nachempfundene Formation 124. Die Formation 124 ist die gabelt bzw. verzweigt. 12 zeigt eine der Lamellenstruktur an der Unterseite eines Pilzhutes nachempfundene Formation 126. Die Formation 126 ist radial orientiert, wobei radiale Lamellen über zueinander versetzt Verbindungslamellen mit benachbarten Lamellen verbunden sind. 13 zeigt eine der Lamellenstruktur an der Unterseite eines Pilzhutes nachempfundene Formation 128. Die Formation 128 ist radial orientiert, wobei zwischen sich radial erstreckenden Lamellen Zwischenlamellen angeordnet sind, , ebenso mit radialer Orientierung, die vom Zentrum des Musters beabstandet sind.
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14 und 15 zeigen weitere konstruktionsbionische Muster, die biologische Formationen nachempfunden sind, nämlich Diatomeen (Kieselalgen). 14 zeigt eine Formation 130 mit zentrischer Orientierung, wobei das sich ergebende Muster konzentrische und radiale Elemente aufweist. 15 zeigt eine Formation 132 mit schiffchenförmiger Orientierung (pennate Kieselalgen) und einer in einer bauchigen Außenform angeordneten stabförmigen Innenstruktur, die sich ausgehend von einem Zentrum zu den beiden Enden der Schiffchenform erstreckt. Die Formationen 130, 132 können als Vorbilder für Versteifungsstrukturen mit entsprechend gestalteten Versteifungselementen (insbesondere Rippen oder Sicken) genutzt werden.
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16 zeigt ein eine perspektivische schematische Ansicht eines weiteren Strukturbauteils, das als Kofferraumwanne 212 nutzbar ist. Beispielhaft deutet 16 die einem Benutzer zugewandten Flächen der Kofferraumwanne 212 beim Einbau derselben in einen Vorderwagen eines Fahrzeugs an. Die Kofferraumwanne 212 weist einen Behälterabschnitt 220 auf, der nach Art eines Troges oder einer Wanne ausgebildet ist und ein Abteil 222 definiert. Im oberen Bereich schließt sich an den Behälterabschnitt 220 ein umlaufender Randbereich 248 an, der den Behälterabschnitt 220 zumindest abschnittsweise trägt.
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Die in 16 gezeigte Struktur der Kofferraumwanne 212 ist in 17 gestrichelt dargestellt, und bildet dort eine wannenförmige Einlage 300. 17 zeigt, dass die Kofferraumwanne 212 eine Versteifungsstruktur 290 mit konstruktionsbionischem Muster 292 umfasst. Die Versteifungsstruktur 290 bildet im Ausführungsbeispiel eine Art Gerippe, Skelett oder Rahmen für die wannenförmige Einlage 300. Die netzartige Versteifungsstruktur 290 weist Versteifungselemente 294 auf, die Gurte oder Bänder bilden, welche neuralgische Punkte des die Kofferraumwanne 212 ausbildenden Strukturbauteils miteinander verbinden. Auf diese Weise ergibt sich das Gerüst für die darin aufgenommene bzw. daran gehaltene Einlage 300. Die Versteifungsstruktur 290 erstreckt sich über Befestigungselemente 250, 252, 254 und verbindet diese miteinander über Gurte oder Bänder. Auf diese Weise ergibt sich eine an die gegebenen Belastungen angepasste organische Leichtgewichtsstruktur, die die erforderliche Festigkeit gleichwohl gewährleistet. Auch hier kann eine mittels Schäumen erzeugte poröse Innenstruktur zu weiterer Gewichtseinsparung beitragen.
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18 veranschaulicht anhand einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Strukturbauteil, das im Ausführungsbeispiel als Kofferraumwanne bzw. Reserveradwanne 312 gestaltet ist. Ähnlich wie bei den zuvor bereits beschriebenen Strukturbauteilen weist die Reserveradwanne 312 einen Behälterabschnitt 320 auf, der ein Abteil 322. Das Abteil 322 ist beispielsweise zur Aufnahme eines Reserverades ausgebildet. Am oberen Ende des Behälterabschnitts 320 ist ein umlaufender Rand 348 ausgebildet.
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Auch das in 18 veranschaulichte Strukturbauteil kann eine mittels Schäumen erzeugte poröse Innenstruktur aufweisen, die zu einer Gewichtseinsparung beiträgt. Ferner können Versteifungsstrukturen mit konstruktionsbionischen Mustern ausgebildet werden, die biologische Formationen nutzen. Weitere denkbare Strukturbauteile sind etwa Gehäuse für Steuergeräte und sonstige Elektronikbauteile, Gehäuse für Luftfilter, Sicherungskästen und ähnliches. Auch derartige Strukturbauteile können mittels Schäumen und/oder konstruktionsbionischen Mustern einerseits mit hoher Festigkeit und andererseits mit geringem Gewicht hergestellt werden.
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19 veranschaulicht anhand einer schematischen, stark vereinfachten Darstellung ein Werkzeug 400 zur Herstellung eines Bauteils 410 mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen. Das Werkzeug 400 umfasst eine Düsenseite 402 und eine Auswerferseite 404, die gemeinsam eine Form (Kavität) 406 für das Bauteil 410 bilden. An die Düsenseite 402 koppelt im Ausführungsbeispiel ein Extruder 412 an, der eine geschmolzene Formmasse 420 (üblicherweise glasfaserverstärkte Polymere) unter Druck in die Form 406 im Werkzeug 400 einbringt, um dort das Bauteil 410 auszubilden. An den Extruder 412 koppelt jedoch ferner ein Reservoir 414 bzw. eine Versorgungsleitung für ein Schäummittel an, wobei das Schäummittel über ein Ventil 416 zuführbar ist. Auf diese Weise kann das Schäummittel der geschmolzenen Masse 420 beigemengt werden und im Bauteil 410 ein porösen Bereich 422 ausbilden. Auf diese Weise lässt sich insgesamt die Dichte des Bauteils 410 reduzieren.
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Die 20 und 21 veranschaulichen ein veranschaulicht anhand einer schematischen, stark vereinfachten Darstellung ein Werkzeug 500 zur Herstellung eines Bauteils 510. Das Werkzeug 500 kann grundsätzlich auf Basis des Werkzeugs 400 gemäß 19 gebildet sein. Mit anderen Worten kann auch das Werkzeug 500 zum Thermoplast-Schaumspritzgießen ausgebildet sein. Das Werkzeug 500 weist eine Düsenseite 502 und eine Auswerferseite 504 auf, die gemeinsam eine Form 506 für das Bauteil 510 ausbilden. An die Düsenseite 502 koppelt im Ausführungsbeispiel ein Extruder 512 an, mit dem eine geschmolzene Formmasse (der gegebenenfalls ein Schäummittel beigemengt ist) unter Druck in die Form 506 eingebracht werden kann, um dort das Bauteil 510 auszubilden.
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Das Werkzeug 500 ist dazu befähigt, zu Zwecken eines sogenannten Negativprägens einen definierten Öffnungshub (Pfeil 526 in 21) anzuwenden, bevor das Werkstück 510 in seinem Inneren vollständig erstarrt ist. Der dabei entstehende Unterdruck sorgt dafür, dass das Werkstück 510 in der Entformrichtung gestreckt wird, vergleiche die Höhe (Wandstärke) 524, die sich in 21 im Vergleich zur 20 erhöht hat. Das Ziel ist nicht, Material vom Extruder 512 nachzusaugen. Stattdessen ist das Ziel, eine gegebenenfalls durch Thermoplast-Schaumspritzgießen bereits vorhandene Porosität zu erhöhen, indem vorhandene Poren nach dem Öffnungshub (Rückhub, Negativprägen) einen größeren Raum im Bauteil 510 einnehmen. Im Ergebnis kann die Dichte des Bauteils 510 weiter reduziert werden.
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Mit Bezugnahme auf 22 wird anhand eines schematischen Blockdiagramms eine beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Bereitstellung eines Strukturbauteils mit optimiertem Gewicht veranschaulicht.
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Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der die Bereitstellung eines Referenzdesigns umfasst. Das Referenzdesign ist beispielsweise ein Design, das externe Randbedingungen zumindest hinreichend erfüllt, beispielsweise hinsichtlich Bauraum, Volumen im Innenraum, Außenabmessungen und ähnlichem.
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Es schließt sich ein Schritt S12 an, der die Ermittlung zumindest eines Auslegungsparameters umfasst. Der Auslegungsparameter ist beispielsweise eine Wandstärke des Strukturbauteils, die sich durch Maßnahmen zur Erhöhung der Porosität ergeben kann. Der Auslegungsparameter ist beispielsweise eine sich durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Porosität (Schäumen, Rückhub im Werkzeug) ergebende reduzierte Dichte. Der Auslegungsparameter ist beispielsweise eine Versteifungsstruktur, etwa eine gewählte biologische Formation zu Erzeugung eines konstruktionsbionischen Musters.
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Es folgt ein Schritt S14, der eine rechnergestützte Analyse zu Ermittlung eines Lastzustands bei einer gegebenen Referenzlast umfasst. Beispielsweise umfasst dies bestimmte Lastfälle, die sich bei einem gegebenen Ladegut und bestimmten Betriebszuständen (Beschleunigen, Abbremsen, Kurvenfahrt, Schlagloch und dergleichen) ergeben. Es kann sich um statische und/oder dynamische Lasten handeln. Die Analyse erfolgt üblicherweise computergestützt mittels FEM oder vergleichbaren numerisch gestützten Methoden.
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Ein folgender Schritt S16 betrifft die Optimierung der Bauteilgeometrie und beinhaltet optionale Teilschritte S18, S20, S22, die zu einer Optimierung der Geometrie des Strukturbauteils auf Basis des Referenzdesigns beitragen können. Dies kann eine Variation des Auslegungsparameters umfassen. Beispielsweise bezieht sich der Teilschritt S18 auf die Optimierung einer Versteifungsstruktur unter Nutzung konstruktionsbionischer Muster, die sich an existierende biologische Formationen anlehnen. Auf diese Weise können zum Beispiel ingenieurmäßig erzeugte, gleichförmige Muster (beispielsweise Kreuzrippen mit 90°-Orientierung) ersetzt oder ergänzt werden.
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Beispielsweise bezieht sich der Teilschritt S20 auf die Optimierung der Innenstruktur des Bauteils unter gezielter Einbringung einer Porosität mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen. Etwaige Festigkeitsverluste können durch Anpassung der Wandstärke bzw. des Porositätsgrades vermieden oder kompensiert werden. Beispielsweise bezieht sich der Teilschritt S22 auf eine weitere Erhöhung des Porositätsgrades des Bauteils durch Anwendung eines definierten Öffnungshubs (Rückhub, Negativprägen) im Werkzeug im Rahmen der Fertigung des Bauteils mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen. Etwaige Festigkeitsverluste können durch Anpassung der Wandstärke bzw. des Porositätsgrades vermieden oder kompensiert werden.
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Die Teilschritte S20 und/oder S22 können in einer Erhöhung der Wandstärke resultieren. Dies führt jedoch nicht zwingend zu einer Gewichtserhöhung, wenn die resultierende Dichte proportional oder überproportional resultiert werden kann. Umgekehrt haben Bauteile mit höherer Wandstärke häufig eine erhöhte Festigkeit und dimensionelle Stabilität bzw. Formstabilität.
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Es versteht sich, dass der Optimierungsschritt S16 auch die Wahl eines geeigneten Werkstoffs für die Formmasse umfassen kann. Es eignen sich übliche technische Kunststoffe, die mittels Thermoplast-Spritzguss verarbeitet werden können. Die Werkstoffe sind üblicherweise faserverstärkt. Es ist jedoch auch vorstellbar, anstelle von erdölbasierten Primärrohstoffen zumindest anteilsmäßig sogenanntes Recyclat und/oder sogenannte Biopolymere zu ersetzen. Auf diese Weise lässt sich die CO2-Bilanz des Bauteils weiter verbessern.
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An den Optimierungsschritt S16 schließt sich ein Schritt S24 an, der die Erzeugung und Bereitstellung eines Werkzeugs für den Kunststoff-Spritzgussprozess umfasst. Das Werkzeug und insbesondere dessen Form (Kavität) wird unter Berücksichtigung der Optimierungsergebnisse erzeugt. Das Werkzeug kann zum Thermoplast-Schaumspritzgießen eingerichtet sein. Das Werkzeug kann dazu eingerichtet sein, einen definierten Öffnungshub (Rückhub, Negativprägen) anzuwenden, um eine eingebrachte Porosität im Bauteil zu erhöhen.
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Es folgt ein Schritt S 26, der auf die eigentliche Fertigung des Strukturbauteils mittels Spritzguss, insbesondere mittels Thermoplast-Schaumspritzgießen, abstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2899177 A1 [0003]
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