DE60313144T2 - Verstärkter aufprallträger - Google Patents

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Paul Winsford CORSCADDEN
Willem Dekeyser
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Aufprallträsatrger und Verstärkungen. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines Aufprallträgers zum Tragen von Stoßfängern von Fahrzeugen oder einer Aufprallverstärkung von Fahrzeugteilen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gegenwärtige bekannte Kompositaufprallträger umfassen eine mit Glasfasern oder anderen Polymerfasern verstärkte Polymermatrix. Ein Aufprallträger kann auch Metallteile gewöhnlich an Stellen umfassen, an denen ein Aufprallträger während eines Aufpralls Druckbelastung aufnimmt. US-A-5-290 079 liefert ein Beispiel für einen derartigen Aufprallträger. In US-A-5 290 079 umfasst der Aufprallträger auch ein gewobenes Drahtgeflecht, welches zum Verbessern der Biegsamkeit und Flexibilität des Aufprallträgers dient.
  • US 6004650 offenbart ein faserverstärktes Kompositteil, das bei der Herstellung von Fahrzeuggegenständen wie Stoßfängerträgern verwendet werden kann.
  • Die allgemeine WO 01/44548 offenbart ein Streifen umfassendes verstärktes Gewebe, wobei die Streifen Metallschnüre umfassen. Das Gewebe kann zur Verstärkung von verstärkten Gegenständen verwendet werden.
  • Derzeit bekannte Kompositaufprallträger weisen im Allgemeinen den Nachteil auf, dass sie dazu neigen, an der Stelle des Aufpralls in zwei Teile oder in mehrere kleine Teilchen zu zerbrechen, die zu den in der Umgebung des Aufprallträgers liegenden Gegenständen hin hervorragen. Dies kann eine weitere Beschädigung dieser Gegenstände verursachen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Aufprallträger mit erhöhtem Aufprallwiderstand bereitzustellen. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, einen Aufprallträger mit einer hohen Energieabsorption bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Aufprallträger bereitzustellen, der während und nach einem Aufprall eine verbesserte Integrität aufweist.
  • Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung umfasst eine Polymermatrix und eine Metallverstärkungsstruktur. Erfindungsgemäß umfasst die Metallverstärkungsstruktur Metallschnüre.
  • Die Metallverstärkungsstruktur umfasst Metallschnüre, wobei die Metallschnüre vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander liegen.
  • Der Wortlaut „im Wesentlichen parallel" ist in einem Sinne zu verstehen, in welchem für jedes Paar Metallschnüre, wobei die Schnüre nebeneinander vorliegen, für jeden Punkt einer Achse einer ersten dieser Metallschnüre ein betreffender Punkt der Achse der zweiten Metallschnur definiert sein kann, wobei der Punkt der Kreuzungspunkt der Achse der zweiten Metallschnur ist, wobei die Ebene durch den Punkt der Achse der ersten Metallschnur und senkrecht zur Richtung der Achse der ersten Metallschnur an diesem Punkt liegt. Der Unterschied in der Richtung der Achsen der Metallschnüre in jedem Paar an Punkten ist kleiner als 25°, z.B. kleiner als 15° oder sogar kleiner als 10°, wie kleiner als 5°.
  • Ein Aufprallträger ist durch eine Richtung gekennzeichnet, in welcher erwartet wird, dass Aufprallkräfte am Aufprallträger arbeiten. Diese Richtung wird hier nachstehend als 'Aufprallrichtung' bezeichnet. Aufprallträger sind durch eine Aufprallebene gekennzeichnet, wobei es sich um die Ebene senkrecht zur Richtung des Aufpralls handelt. Eine Dimension dieser Ebene ist gewöhnlich relativ groß und wird hier nachstehend als Länge des Aufprallträgers bezeichnet. Die zweite Dimension des Aufprallträgers in dieser Aufprallebene ist gewöhnlich viel kleiner als die Länge. Diese Richtung wird hier nachstehend als Höhe des Aufprallträgers bezeichnet. Die Dimension des Aufprallträgers senkrecht zur Aufprallebene wird als Dicke des Aufprallträgers bezeichnet.
  • Die Metallschnur eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung kann in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Länge des Aufprallträgers bereitgestellt sein.
  • Besonders bevorzugt sind die Metallschnüre jedoch während des Gießens des Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung mit einer kurvenförmigen Gestalt bereitgestellt. Die Kurven weisen einen Biegeradius in der Ebene auf, die senkrecht zur durch die Länge und Höhe definierten Ebene und parallel zur Länge des Aufprallträgers liegt. Die Krümmung erstreckt sich vorzugsweise zu der Seite des Aufprallträgers, auf der erwartet wird, dass die Aufprallkraft arbeitet.
  • Die vorzugsweise für einen Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung verwendete Metallschnur ist von einem Typ, der relativ hohe Mengen an Aufprallenergie absorbieren kann, jedoch können auch andere Metallschnüre verwendet werden.
  • Beispiele hier sind:
    • – Metallschnüre mit mehreren Adern, z.B. vom Typ m × n, d.h. Metallschnüre, umfassend m Adern mit jeweils n Drähten, wie 4 c 7 × 0,10 oder 3 × 3 × 0,18; die letzte Zahl ist der in Millimeter ausgedrückte Durchmesser von jedem Draht.
    • – kompakte Schnüre, z.B. vom Typ 1 × n, d.h. Metallschnüre, die n Metalldrähte umfassen, wobei n größer als 8 ist, die nur in eine Richtung mit einem einzigen Schritt zu einem kompakten Querschnitt gedrillt sind, wie 1 × 9 × 0,18 oder 1 × 12 × 0,18; die letzte Zahl ist der in Millimeter ausgedrückte Durchmesser von jedem Draht.
    • – geschichtete Metallschnüre, z.B. vom Typ 1 + m(+ n), d.h. Metallschnüre mit einem Kern von 1 Drähten, die von einer Schicht von m Drähten und möglicherweise auch von einer weiteren Schicht von n Drähten umgeben sind, wie 2 + 4 × 0,18; die letzte Zahl ist der der in Millimeter ausgedrückte Durchmesser von jedem Draht.
    • – Metallschnüre mit einer einzelnen Ader, z.B. vom Typ 1 × m, d.h. Metallschnüre, die m Metalldrähte umfassen, wobei m im Bereich von 2 bis 6 liegt, die in einem einzigen Schritt gedrillt ist, wie 1 × 4 × 0,25; die letzte Zahl ist der in Millimeter ausgedrückte Durchmesser von jedem Draht.
    • – Offene Metallschnüre, z.B. vom Typ m + n, d.h. Metallschnüre mit m parallelen Metalldrähten, die von n Metalldrähten umgeben sind, wie in US-A-4408444 offenbart, z.B. eine Metallschnur 2 + 2 × 0,25; die letzte Zahl ist der in Millimeter ausgedrückte Durchmesser von jedem Draht.
  • Sämtliche wie vorstehend beschriebenen Schnüre können zum Erhöhen der mechanischen Bindung der Schnüre in der Polymermatrix und/oder zum Bündeln der n einzelnen parallel gekräuselten oder nicht gekräuselten, jedoch plastisch verformten Drähte, wenn die Schnur unter Verwendung derartiger paralleler Drähte bereitgestellt ist, mit einem oder mehreren spiralförmig umwickelten Draht oder Drähten ausgestattet sein.
  • Vorzugsweise jedoch kann die im Kontext der vorliegenden Erfindung verwendete Metallschnur eine Metallschnur mit einer hohen Bruchdehnung, d.h. einer Dehnung die 4% überschreitet, z.B. einer Dehnung zwischen 5% und 10% sein. Metallschnüre mit hoher Dehnung weisen mehr Kapazität zum Absorbieren von Energie auf.
  • Eine derartige Metallschnur ist:
    • – entweder eine Metallschnur mit hoher Dehnung oder Dehnung (HE-Schnüre), d.h. eine Metallschnur mit mehreren Adern oder einer einzelnen Ader mit einem hohen Verdrillungsgrad (im Falle von Metallschnüren mit mehreren Adern: die Verdrillrichtung in der Ader ist gleich der Drillrichtung der Adern in der Schnur: SS oder ZZ, dies ist der sog. Gleichschlag), um eine elastische Schnur mit dem erforderlichen Grad an Federpotenzial zu erhalten; ein Beispiel ist eine Metallschnur mit hoher Dehnung 3 × 7 × 0,22 mit Lagenlängen von 4,5 mm und 8 mm in SS-Richtung;
    • – oder eine Metallschnur, die einer Spannungs-Entlastungsbehandlung wie in EP-A1-0 790 349 offenbart unterzogen wurde; ein Beispiel ist eine Schnur 2 × 0,33 + 6 × 0,33 SS.
    • – Als eine Alternative oder eine zusätzliche Metallschnur mit hoher Dehnung kann die Metallschnur aus einem oder mehreren Drähten zusammengesetzt sein, die derart plastisch verformt wurden, dass sie wellig sind. Diese wellige Natur erhöht zusätzlich die Dehnung. Ein Beispiel für ein welliges Muster ist eine Spirale oder eine wie in WO-A1-99/28547 offenbarte räumliche Kräuselung.
  • Gemäß den erforderlichen Eigenschaften des Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung können alle Metallschnüre identisch sein, oder es können alternativ dazu verschiedene Metallschnüre zum Bereitstellen des Aufprallträgers verwendet werden.
  • Die zum Bereitstellen dieser Metallschnüre verwendeten Metallelemente können einen Durchmesser aufweisen, der ein Durchmesser eines radialen Querschnitts der Metallelemente ist, der gleich oder größer als 100 μm, stärker bevorzugt größer als 125 μm, z.B. größer als 150 μm oder sogar größer als 175 μm ist. Alle Metallelemente einer Metallschnur können den gleichen Durchmesser aufweisen, oder die Durchmesser der Metallelemente können voneinander abweichen.
  • Vorzugsweise ist der optische Durchmesser der Metallschnur größer als 200 μm oder sogar größer als 250 μm wie größer als 300 μm oder mehr. Der optische Durchmesser der Metallschnur ist als der Durchmesser des kleinsten gedachten Kreises zu verstehen, der den radialen Querschnitt der Metallschnur umfasst.
  • Besonders bevorzugt werden Stahlschnüre zum Bereitstellen des Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung verwendet. Gegenwärtig bekannte Stahllegierungen können zum Bereitstellen der Stahlschnüre verwendet werden. Vorzugsweise werden die Stahlschnüre z.B. durch Durchführen der Stahlschnur durch eine Induktionsspule mit hoher Frequenz oder mittlerer Frequenz mit einer an die Geschwindigkeit der Stahlschnur während der Herstellung angepassten Länge einer thermischen Entspannungsbehandlung unterzogen. Es wurde beobachtet, dass durch Erhöhen der Temperatur auf mehr als 400°C für eine bestimmte Zeitdauer ein Abfall der Zugfestigkeit der Stahlschnur (eine Reduktion von etwa 10%), jedoch gleichzeitig ein Anstieg der plastischen Dehnung der Schnur vor Bruch von mehr als 6% erhalten werden kann. Die Stahlschnüre werden hier nachstehend als entspannte Stahlschnüre bezeichnet.
  • Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung umfasst eine elastomere duroplastische oder thermoplastische Polymermatrix.
  • Die Polymermatrix kann Polymermaterial umfassen, das ein thermoplastisches oder thermoplastisches, elastomeres Polymermaterial ist. Stärker bevorzugt ist das Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterepthalat, Polybutylenterepthalat, Polycarbonat, Polyphynelenoxid, sowie Mischungen aus diesen Materialien oder thermoplastischen Elastomeren, z.B. thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Polyamid oder Polyolefin wie Polyesteramiden, Polyetheresteramiden, Polycarbonatesteramiden oder Polyetherblockamiden.
  • Alternativ dazu kann das Polymermaterial ein duroplastisches Polymermaterial sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Vinylestern und Phenolharzen.
  • Die Polymermatrix kann des Weiteren Glas- oder C-Fasern, Polymerfasern und/oder Mineralfüllstoffe zum Verstärken der Polymermatrix umfassen. Die Fasern können entweder willkürlich, einseitig gerichtet, gewoben, abgesteppt, zerhackt oder eine Kombination aus diesen sein.
  • Die Polymermatrix kann zwei Schichten aufweisen.
  • Die erste Schicht, hier nachstehend als 'Einbettungsschicht' bezeichnet, erzeugt einen Kontakt zur Oberfläche der Metallschnur. Eine derartige nicht erfindungsgemäße Einbettungsschicht kann um die Metallschnur extrudiert sein, oder mehrere Metallschnüre können Bündel sein und mit einem Einbettungsschichtüberzug bereitgestellt sein. Erfindungsgemäß sind mehrere Metallschnüre in einer Ebene zwischen zwei Folien aus Polymermaterial laminiert, wodurch eine bandähnliche Struktur, hier nachstehend im Allgemeinen als 'Metallschnurband' bezeichnet, oder Stahlschnurbänder in dem Fall, dass das Metallschnurband unter Verwendung von Stahlschnüren bereitgestellt ist, bereitgestellt wird.
  • Um diese Metallschnur mit Einbettungsschicht ist z.B. durch Extrusion oder in einem Gießverfahren eine zweite Schicht, hier nachstehend als Volumenschicht bezeichnet, bereitgestellt.
  • Vorzugsweise ist das Polymermaterial der Einbettungsschicht ein thermoplastisches elastomeres oder thermoplastisches Material, vorzugsweise ein thermoplastisches Polymermaterial, wobei es stärker bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterepthalat, Polybutylenterepthalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid sowie Mischungen aus diesen Materialien oder thermoplastischen Elastomeren, z.B. thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Polyamid oder Polyolefin wie Polyesteramiden, Polyetheresteramiden, Polycarbonatesteramiden oder Polyetherblockamiden.
  • Alternativ dazu kann das Polymermaterial ein duroplastisches Polymermaterial sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Vinylestern und Phenolharzen.
  • Das Polymermaterial der Volumenschicht ist ein thermoplastisches elastomeres, duroplastisches oder thermoplastisches Material, vorzugsweise ein thermoplastisches Polymermaterial, wobei es stärker bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterepthalat, Polybutylenterepthalat, Polycarbonat, Polyphynelenoxid sowie Mischungen aus diesen Materialien oder thermoplastischen Elastomeren, z.B. thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Polyamid oder Polyolefin wie Polyesteramiden, Polyetheresteramiden, Polycarbonatesteramiden oder Polyetherblockamiden. Alternativ dazu kann das Polymermaterial ein duroplastisches Polymermaterial sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Polyestern, Epoxiharzen, Vinylestern und Phenolharzen.
  • Diese Volumenschicht kann des Weiteren Glas- oder C-Fasern, Polymerfasern und/oder Mineralfüllstoffe zum Verstärken der Volumenschicht umfassen. Die Fasern können entweder willkürlich, einseitig gerichtet, gewoben, abgesteppt, zerhackt oder eine Kombination aus diesen sein. Zum Sicherstellen einer guten Haftung zwischen den Metallschnüren und dem Polymermaterial kann ein Haftverstärker auf die Metallschnüre aufgebracht sein.
  • Mögliche Haftverstärker sind bifunktionelle Kupplungsmittel wie Silanverbindungen. Eine funktionelle Gruppe dieser Kupplungsmittel ist für die Bindung mit dem Metall oder den Metalloxiden verantwortlich; die andere funktionelle Gruppe reagiert mit dem Polymer.
  • Mehr Details über diese Kupplungsmittel sind in der PCT-Anmeldung WO-A-99/20682 zu finden.
  • Zum Verbessern des Aufprallwiderstands auf den erforderlichen Grad kann die Menge an Metallschnur pro Abschnitt des Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung in eine durch die Höhe und Dicke des Aufprallträgers definierte Richtung ausgewählt sein.
  • Die Metallschnüre sind in einer oder mehrere Ebenen parallel zueinander und vorzugsweise zur Aufprallebene des Aufprallträgers oder einer oder mehreren Ebenen parallel zueinander angeordnet und mit einer kurven förmigen Gestalt während des Gießens des Aufprallträgers versehen. Die Krümmung erstreckt sich vorzugsweise zu der Seite des Aufprallträgers, an welcher erwartet wird, dass die Aufprallkraft arbeitet.
  • Jede Ebene ist durch ein Metallschnurband oder Stahlschnurband mit Einbettungsschichten, die gleich oder voneinander verschieden sein können, bereitgestellt. Jede Ebene kann Metall- oder Stahlschnüre umfassen, die vorzugsweise gleich oder von einander verschieden sind.
  • Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung kann unter Verwendung verschiedener Herstellungstechniken hergestellt werden.
  • Ein Verfahren, das keinen Teil der Erfindung bildet, zum Bereitstellen eines Aufprallträgers umfasst die Schritte des
    • – Bereitstellens einer Polymermatrixbahn;
    • – Bereitstellens von Metallschnüren und/oder Metallschnurbändern;
    • – Erwärmens der Polymermatrixbahn;
    • – Zusammenbringens der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder und der Polymermatrixbahn und Bereitstellen der Metallschnüre und Polymermatrixbahn für eine Form;
    • – Formens der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder und Polymermatrixbahn zur Bereitstellung eines Aufprallträgers;
    • – Abkühlens des Aufprallträgers.
  • Alternativ dazu umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines Aufprallträgers, das ebenfalls keinen Teil der Erfindung bildet, die Schritte des:
    • – Bereitstellens von Metallschnüren und/oder Metallschnurbändern;
    • – Extrudierens von Polymermaterial und Bereitstellen von extrudiertem Polymermaterial für die Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder;
    • – Formens der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder und der Polymermatrixbahn, wobei ein Aufprallträger bereitgestellt wird;
    • – Abkühlens des Aufprallträgers.
  • Als weitere Alternative umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines Aufprallträgers, das keinen Teil der Erfindung bildet, die Schritte des:
    • - Bereitstellens von Faseradern und/oder Verstärkungsgeweben;
    • – Bereitstellens von Metallschnüren und/oder Metallschnurbändern;
    • – Bereitstellens von ungehärteten oder nicht vollständig ausgehärteten Polymermaterial für die Faseradern und/oder Verstärkungsgewebe und Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder durch Ziehen der Faseradern und/oder der Verstärkungsgewebe der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder durch ein Bad von ungehärtetem oder nicht vollständig ausgehärtetem Polymermaterial;
    • – Aushärtens der Faseradern und/oder der Verstärkungsgewebe und der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder und des ungehärteten oder nicht vollständig ausgehärteten Polymermaterials durch Ziehen der Faseradern und/oder der Verstärkungsgewebe und der Metallschnüre und/oder Metallschnurbändern und des ungehärteten oder nicht vollständig ausgehärteten Materials durch eine erwärmte Ziehstrangpressmatrize, um einen ziehstranggepressten Gegenstand bereitzustellen;
    • – Schneidens der ziehstranggepressten Gegenstände auf Längen, um so einen Aufprallträger bereitzustellen.
  • Als noch weitere Alternative umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines Aufprallträgers, ebenfalls kein Teil der Erfindung, die Schritte des:
    • – Bereitstellens von Metallschnüren und/oder Metallschnurbändern;
    • – Bringens der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder in eine Extrusionsform und Positionieren der Metallschnüre und/oder Metallschnurbänder in der Form;
    • – Bereitstellens von Polymermaterial in der Extrusionsform zum Bereitstellen eines Aufprallträgers;
    • – Abkühlens des Aufprallträgers.
  • Nicht erfindungsgemäß wird vorzugsweise eine Polymermatrixbahn, stärker bevorzugt ein mit Glasmatten verstärktes thermoplastisches Prepreg verwendet. Das Prepreg kann entweder willkürliche, einseitig gerichtete, gewobene, gesteppte oder zerhackte Fasern aus Glas oder anderen Materialien oder eine Kombination aus diesen enthalten. Gleichermaßen können lange Fasern thermoplastischer Verbindungen verwendet werden, die zerhackte Strangglasfasern oder Fasern aus anderen Materialien umfassen.
  • Dieses thermoplastische Prepreg wird während eines Prepreg-Erwärmungsschritts unter Verwendung einer beliebigen Art eines Ofensystems erwärmt, bis das thermoplastische Harz schmilzt. Im Falle einer langfasrigen thermoplastischen Verbindung wird ein Extruder zum Schmelzen der langfasrigen thermoplastischen Verbindung verwendet.
  • Nach dem Polymererwärmungsschritt und möglicherweise einem Metallschnur- und/oder Metallschnurbanderwärmungsschritt werden die Metallschnüre oder das Metallschnurband und das Polymermaterial gewöhnlich unter Bereitstellung des Polymermaterials, z.B. des mit Glasmatte verstärkten thermoplastischen Prepregs um die Metallschnur oder das Metallschnurband zusammengebracht und einem Druckgießwerkzeug bereitgestellt. Die Metallschnur oder das Metallschnurband und das Polymermaterial werden zusammen einem Gießschritt unterzogen. Die Metallschnur oder das Metallschnurband wird an einer Stelle des Abschnitts des Profils positioniert, in welchem angenommen wird, dass es zum Erhalt der maximalen Leistung lokalisiert ist. Während des Schließens der Gussform fließt das Polymermaterial und kapselt die Metallschnur oder das Metallschnurband ein. Möglicherweise sind die Metallschnüre oder das Metallschnurband mit einer kurvenförmigen Gestalt bereitgestellt.
  • Nachdem die Gussform geschlossen ist, werden die Gussform und das gegossene Material während eines Abkühlschritts abgekühlt. Die Gussform wird wieder geöffnet. Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung wird so bereitgestellt.
  • Das gleiche Gussverfahren kann verwendet werden, jedoch wird der Ofen durch einen Extruder ersetzt, der Klumpen an Polymermaterial, z.B. heiße luftige glasgefüllte Thermoplastiken oder lange Fasern aus thermoplastischer Verbindung, die dann in der Gussform zusammen mit der Metallschnur oder dem Metallschnurband manipuliert werden, herstellt. Nach dem Gießen wird das gegossene Material abgekühlt.
  • Alternativ dazu, nicht erfindungsgemäß, können die Glas- und/oder anderen Faserstränge und Metallschnüre oder Metallschnurband einem Ziehstrangpressverfahren unterzogen werden, um einen Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung bereitzustellen. Erste Faserstrange und/oder Verstärkungsgewebe und Metallschnüre oder Metallschnurband sind bereitgestellt. Ungehärtetes oder nicht vollständig ausgehärtetes Polymermaterial wird diesen Fasersträngen und/oder verstärkten Geweben und Metallschnüren oder Metallschnurband durch deren Ziehen durch ein Bad aus ungehärtetem oder nicht vollständig ausgehärtetem Material bereitgestellt. Dann werden die Faserstränge und/oder Verstärkungsgewebe und Schnüre und das polymere Polymermaterial im Falle eines duroplastischen Materials durch eine erwärmte Ziehstrangpressmatrize oder im Falle eines thermoplastischen Materials durch eine Kühlmatrize gezogen.
  • Ein ziehstranggepresster Gegenstand wird so bereitgestellt. Der ziehstranggepresste Gegenstand wird in Längen geschnitten. Jede geschnittene Länge ist dann ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung. In einem zweiten Schritt kann der Aufprallträger in die gewünschte Endform gebogen oder geformt werden.
  • Alternativ dazu, nicht erfindungsgemäß, können Glas- und/oder andere Faserstränge und Metallschnüre oder Metallschnurband einem Überextrusionsverfahren unterzogen werden, um einen Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung bereitzustellen. Metallschnüre oder Metallschnurbänder werden bereitgestellt und in eine Extrusionsform und in der Gussform in Position gebracht. Polymermaterial, z.B. thermoplastisches Material, wird z.B. durch Extrusion in der Extrusionsgussform bereitgestellt. Nach dem Abkühlen umfasst die Gussform nun einen Aufprallträger. Möglicherweise umfasst das Polymermaterial Glasfasern, in der Nähe des Polymermaterials, welches vollständig oder teilweise oder nicht ausgehärtet ist.
  • Der Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung kann des Weiteren Öffnungen für Fixierungen oder Befestigung anderer Gegenstände umfassen. Diese Öffnungen können durch Stanzen, Bohren, CNC, Laserschneiden oder ähnliche Techniken, aber auch durch Stanzen in der Gussform in den Aufprallträger eingebracht werden.
  • Vorzugsweise, wenngleich nicht immer nötig, können die Metallschnüre oder Metallschnurbänder während eines Metallschnurerwärmungsschritts unter Verwendung einer beliebigen Ofenart oder durch Induktionserwärmung erwärmt werden.
  • Bester Aufprallwiderstand wird erhalten, wenn die Metallschnüre in der Polymermatrix entweder mit einer oder mehreren Schichten in einer derartigen Weise eingebettet sind, dass sie eine beschränkte Freiheit zur Dehnung und/oder zum Entdrillen während eines Aufpralls aufweisen.
  • Je nach Typ der Metallschnurkonstruktion kann je nach dem für diese Metallschnurkonstruktion typischen Aufprallabsorptionsmechanismus eine relativ große Menge an Aufprallenergie absorbiert werden.
  • Schnüre mit hoher Dehnung (HE-) können durch die strukturelle Verformung der Schnüre auf Grund von Bewegungen der Stränge zueinander in der Schnur Aufprallenergie absorbieren. Werden strukturell verformte Fäden zum Bereitstellen der Metallschnüre verwendet, verursacht auch die Entfernung der strukturellen Verformung aus den Fäden während der Dehnung der Metall schnur eine Absorption an Aufprallenergie. In dem Fall, dass die Metallschnur eine entspannte Stahlschnur ist, stellt auch die plastische Verformung der Fäden eine Absorption von Aufprallenergie bereit.
  • Die Polymermatrix ist vorzugsweise durch eine mechanische Bindung an die Metallschnur gebunden. Die Polymermatrix kann durch eine chemische Bindung an die Metallschnüre gebunden sein oder nicht. Während eines lokalen Aufpralls verteilt die Polymermatrix durch eine eingebettete Schicht und eine Volumenschicht die lokale Kraft über die volle Schnurlänge. Dies führt zu einer vollständigen Verwendung der Energieabsorptionsmöglichkeiten der Schnur, weshalb die zu absorbierende Energie durch andere Teile außerhalb des Trägers reduziert und ein lokaler Bruch der Polymermatrix hinausgezögert wird. Die Energieabsorption der Schnur erfolgt entweder durch plastisches Strecken der Schnur selbst, durch Torsionsverformung der Schnur wie Entdrillen oder Energieverteilung in der Grenzfläche zwischen Schnur und Polymerschicht auf Grund der Reibung, wenn eine relative Bewegung der Schnur gegen die Matrix auftritt.
  • Ist die Aufprallkraft derart, dass die lokalen Belastungen in der Polymermatrix ihre Bruchfestigkeit übersteigt, fällt die Polymermatrix in Stücke auseinander, die weiter an den Metallschnüren haften. Dieses Auseinanderfallen absorbiert eine beschränkte Menge an Aufprallenergie, jedoch können sich nach diesem Auseinanderfallen die Metallschnüre auf ein größeres Ausmaß dehnen und zu einem größeren Ausmaß die gesamte mögliche Aufprallenergie absorbieren, bis sie brechen.
  • Die Polymermatrix umfasst eine eingebettete Schicht und eine Volumenschicht, diese Volumenschicht fällt durch einen Aufprall vorzugsweise zuerst auseinander. Die Stücke haften an der eingebetteten Schicht und ermöglichen, dass sich die eingebettete Schicht und die Metallschnüre bis zu einem gewissen Ausmaß ausdehnt.
  • Dann fällt möglicherweise die eingebettete Schicht auseinander, haftet jedoch an den Metallschnüren. Die Metallschnüre können sich dann verlängern und die noch übrige Aufprallenergie absorbieren.
  • Werden in einem Aufprallträger mehrere Metallschnurbänder verwendet, wobei alle parallel zueinander sind, kann die Bindung zwischen zwei Metallschnurbändern brechen. Aufprallenergie kann dann aufgrund der durch die relative Bewegung von beiden Metallschnurbändern in Bezug zueinander verursachte Reibung absorbiert werden.
  • Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung kann zum Tragen von weichen Stoßfängern von Fahrzeugen wie Autos, Bussen oder Lastwägen verwendet werden. Er kann auch zum Verbessern des Aufprallwiderstands anderer Elemente der Fahrzeugkarosserie gegen Aufprallkräfte verwendet werden. Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung kann z.B. verwendet werden, um Türen, Rahmen, Motorhauben oder Kühlerhauben und/oder Querträger gegen Aufprall widerstandsfähiger zu machen. Dem Fachmann ist klar, dass die Gestalt von Querschnitten eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung, sowie die äußere Gestalt des Aufprallträgers auf die Verwendung des Aufprallträgers eingestellt werden kann.
  • Der Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung absorbiert die Aufprallenergie und schützt die anderen Elemente des Fahrzeugs vor Beschädigung. Der Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung verhindert auch, dass Teilchen der Polymermatrix umgebende Elemente des Fahrzeugs beschädigen, da die Integrität des Aufprallträgers nach einem Aufprall sichergestellt werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei (siehe nachstehende Zeichnungen):
  • 1a eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung ist,
  • 1b schematisch eine Vorderansicht eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung ist,
  • 2, 3, 4a und 4b schematisch eine Ansicht eines Querschnitts eines alternativen Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung sind,
  • 5 ein Schema eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Aufprallträgers, der kein Gegenstand der Erfindung ist, ist.
  • 6 schematisch die Verwendung eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung zum Tragen eines Fahrzeugstoßfängers darstellt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung ist in 1a und 1b schematisch dargestellt.
  • Ein Aufprallträger 100 weist eine Länge 11 auf, die wesentlich größer ist als die Höhe 12 und die Dicke 13 des Aufprallträgers 100. Die in 1 dargestellte Ausführungsform weist eine Dicke auf, die durch ein Paar Schenkel 14 und ein Hauptvolumen 15 bereitgestellt ist. Die Schenkel 14 können zum Befestigen des Aufprallträgers an anderen Teilen des Gegenstands, an dem er zu montieren ist, verwendet werden, wohingegen das Hauptvolumen 15 (mit seiner Dicke 16) den größten Teil der Aufprallenergie, die durch einen Aufprall in die mit dem Pfeil 19 angegebene Richtung bereitgestellt ist, absorbiert.
  • Das Hauptvolumen 15 und die Schenkel 14 umfassen eine Polymermatrix. In dem Hauptvolumen 15 liegen Metallschnüre 18 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Länge 11 des Aufprallträgers 100 vor. Vorzugsweise liegen alle Metallschnüre in einer oder mehreren Ebenen 10 vor.
  • Die zum Bereitstellen des Metallschnurbands verwendeten Metallschnüre 18 sind Schnüre des Typs 7 × 7, bei dem es sich um einen Kernstrang eines Fadens von 0,21 mm, um den 6 Fäden von 0,19 mm verdrillt sind, handelt. Um diesen Kernstrang sind 6 Stränge verdrillt, wobei jeder Strang einen Kernfaden von 0,19 mm umfasst, um den 6 Fäden von 0,175 mm verdrillt sind.
  • Die Matrix ist ein mit Glasfaser gefülltes Polypropylen.
  • Alternative Ausführungsformen sind in 2, 3 und 4 dargestellt.
  • 2 stellt einen Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung dar, der um eine Metallschnur 18 eine eingebettete Schicht 21 der Polymermatrix und eine zweite so genannte Volumenschicht 21 aus Polymermaterial umfasst.
  • Die Metallschnur ist durch ein Metallschnurband 23 in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Aufprallrichtung 19 bereitgestellt. Die zum Bereitstellen des Metallschnurbands verwendeten Metallschnüre sind Schnüre des Typs 7 × 7, wobei es sich um einen Kernstrang eines Fadens von 0,21 mm, um den 6 Fäden mit 0,19 mm verdrillt sind, handelt. Um diesen Kernstrang sind 6 Stränge verdrillt, wobei jeder Strang einen Kernfaden von 0,19 mm aufweist, um den 6 Fäden 0,175 verdrillt sind.
  • Das Polymermaterial der eingebetteten Schicht 20 war ein thermoplastisches Elastomer auf Basis eines Polyolefins.
  • Der Typ des Polymermaterials der Volumenschicht 21 ist ein mit Glasfaser gefülltes Polypropylen.
  • 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Aufprallträgers als Gegenstand der Erfindung. Die Metallschnüre 18 sind durch zwei Metallschnurbänder 31 und 32 bereitgestellt, die parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zur Aufprallrichtung 19 bereitgestellt sind.
  • 4a zeigt einen verbesserten Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung, in welchem die Schenkel 41 und das Hauptvolumen 42 durch eine Übergangszone 43 miteinander verbunden sind. Mehrere Metallschnurbänder 44 und möglicherweise einzelne Metallschnüre 45 können zum Bereitstellen von Aufprallwiderstand sowohl im Hauptvolumen 42 als auch in der Übergangszone 43 verwendet werden.
  • 4b zeigt einen anderen alternativen Aufprallträger als Gegenstand der Erfindung. Mehrere Metallschnurbänder 44 und möglicherweise einzelne Metallschnüre 45 können zum Bereitstellen von Aufprallwiderstand sowohl im Hauptvolumen 42 als auch in den Schenkeln 41 verwendet werden.
  • Wendet man sich nun einem Verfahren zum Bereitstellen eines Aufprallträgers, der kein Gegenstand der Erfindung ist, zu, ist ein derartiges Verfahren in 5 schematisch dargestellt.
  • Zuerst wird ein mit Glasmatte verstärktes thermoplastisches Prepreg 500 bereitgestellt, das Polymermatrix 501 und möglicherweise die Glasfasermatte 502 umfasst (Schritt 50). Auch sind Metallschnüre 503, vorzugsweise mit einer Haftschicht 504 um die Oberfläche der Metallschnüre 503, bereitgestellt. Besonders bevorzugt sind die Metallschnur und die Haftschicht als ein Metallschnurband 505 bereitgestellt (Schritt 51).
  • Wie in Schritt 52 von 5 dargestellt, wird das mit Glasmatte verstärkte thermoplastische Prepreg 500 zum Erweichen des Polymermaterials 501 unter Verwendung eines Ofens 506 erwärmt. Das glasmattenverstärkte thermoplastische Prepreg kann durch den Ofen unter Verwendung eines Transportmittels z.B. eines Bands 507 gestützt und transportiert werden. Nachdem es erwärmt ist, wird das heiße glasmattenverstärkte thermoplastische Prepreg von dem Transportmittel genommen, wie mit dem Pfeil 508 angegeben, und für die Zugabe zu dem Metallschnurband in Schritt 54 bereitgestellt.
  • Wie in Schritt 53 von 5 dargestellt, kann das Metallschnurband 505 erwärmt werden, um das Polymermaterial 504 unter Verwendung eines Ofens 509 zu erweichen. Das Metallschnurband kann durch den Ofen unter Verwendung eines Transportmittels, z.B. eines Bands 510 gestützt und transportiert werden. Möglicherweise wird nach dem Erwärmen das Metallschnurband von dem Transportmittel genommen, wie mit dem Pfeil 508 angegeben, und für die Zugabe zu dem Metallschnurband in Schritt 54 bereitgestellt. Dem Fachmann ist klar, dass in dem Falle, dass die Metallschnur oder das Metallschnurband nicht erwärmt werden muss, sie dem Schritt 54 ohne Handhabung wie in Schritt 53 bereitgestellt werden können.
  • In Schritt 54 werden die Metallschnüre oder das Metallschnurband 505 und das heiße glasmattenverstärkte thermoplastische Prepreg 500 z.B. durch Zugeben oder Übereinanderstapeln der verschiedenen Schichten zusammengebracht.
  • Der Stapel 511, umfassend das glasmattenverstärkte thermoplastische Prepreg 500 und die Metallschnur oder das Metallschnurband 505, wird einer Gussform, umfassend zwei Teile, bei denen es sich um die weibliche Form 512 und die männliche Form 513 handelt, bereitgestellt (Schritt 55a). Die Formen 512 und 513 werden geschlossen (Schritt 55b), und der Stapel 511 wird verbunden und zum offenen Bereich innerhalb der geschlossenen Form gestaltet.
  • Nach diesem Formen (Schritt 55a und 55b) werden die Form und der geformte Aufprallträger auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich das Polymermaterial 501 verfestigt (Abkühlschritt 56). Der Aufprallträger kann dann aus den Formen entnommen werden und ist zur weiteren Verarbeitung, wie Qualitätskontrolle oder zum Versehen mit zusätzlichen Öffnungen bereit.
  • Ein Aufprallträger wird so bereitgestellt, der als Träger für weiche Stoßfänger von Fahrzeugen, wie in 6 dargestellt, verwendet werden kann.
  • Ein Aufprallträger 61 ist mit umgebenden Elementen 62 der Fahrzeugkarosserie verbunden. Ein weiches Stoßfängerelement 63 kann zum Abdecken des Aufprallträgers 61 bereitgestellt sein. Wenn das Fahrzeug einen Gegenstand berührt, wird eine Aufprallkraft mit einer Richtung 64, wie in 6 angegeben, aufgebracht.
  • Die im Aufprallträger 61 vorliegende Metallschnur absorbiert die Aufprallenergie zu einem großen Ausmaß, und das Polymermaterial des Aufprallträgers haftet an der Metallschnur zu einem großen Ausmaß. Dies dient zum Vermeiden dessen, dass Teilchen des Polymermaterials weiter gegen die Teile des Fahrzeugs, die hinter dem Aufprallträger lokalisiert sind, vorstehen.

Claims (21)

  1. Struktur, umfassend eine Polymermatrix und eine Verstärkungsstruktur aus Metall, wobei die Verstärkungsstruktur aus Metall Metallschnüre (18) umfasst, die im Wesentlichen parallel zueinander liegen, die Polymermatrix mindestens eine erste Lage und eine zweite Lage umfasst, wobei die erste Lage um die Oberfläche der Metallschnüre herum vorliegt und die zweite Lage um die erste Lage herum vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Metallschnüre (18) zwischen zwei Folien aus Polymermaterial laminiert sind, wobei die erste Lage der Polymermatrix zum Bereitstellen eines Metallschnurbands (31, 32, 44) dient, wobei die Metallschnüre in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind, wobei die Ebenen durch das/die Metallschnurband oder -bänder bereitgestellt sind, und dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur ein Aufprallträger für ein Fahrzeug ist.
  2. Aufprallträger nach Anspruch 1, wobei der Aufprallträger mehrere der im Wesentlichen parallel zueinander liegenden Metallschnurbänder umfasst.
  3. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Metallschnüre Metallelemente mit einem Durchmesser von gleich oder mehr als 100 μm umfassen.
  4. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallschnüre einen optischen Durchmesser von mehr als 200 μm aufweisen.
  5. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallschnüre Stahlschnüre sind.
  6. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Lagen der mehreren Metallschnurbänder voneinander verschieden sind.
  7. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten Lagen der mehreren Metallschnurbänder gleich sind.
  8. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metallschnüre eine mechanische Bindung mit der Polymermatrix aufweisen.
  9. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Metallschnüre eine chemische Bindung mit der Polymermatrix aufweisen.
  10. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Polymermatrix des Weiteren Glas- oder C-Fasern, Polymerfasern und/oder mineralische Füllstoffe umfasst.
  11. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Lage aus Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Elastomeren, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid und Mischungen aus Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid, hergestellt ist.
  12. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die zweite Lage aus Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Elastomeren, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid und Mischungen aus Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Poly ethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid, hergestellt ist.
  13. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Lage aus Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, und Mischungen aus Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, hergestellt ist.
  14. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die zweite Lage aus Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, und Mischungen aus Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, hergestellt ist.
  15. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Lage der Polymermatrix wärmeaushärtendes Polymermaterial umfasst.
  16. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Lage der Polymermatrix wärmeaushärtendes Polymermaterial umfasst.
  17. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die erste Lage der Polymermatrix Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Vinylestern und Phenolharzen, hergestellt ist.
  18. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die erste Lage der Polymermatrix ungesättigten Polyester umfasst.
  19. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die zweite Lage der Polymermatrix Polymerma terial, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Vinylestern und Phenolharzen, hergestellt ist.
  20. Aufprallträger nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die zweite Lage der Polymermatrix ungesättigten Polyester umfasst.
  21. Verwendung eines Aufprallträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zum Tragen von Fahrzeugstoßfängern oder zum Verbessern des Aufprallwiderstands einer Fahrzeugkarosserie.
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