DE102015007919A1

DE102015007919A1 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements für ein Fahrzeug, sowie Verbundelement für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015007919A1
Application number: DE102015007919.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Blumenstock; Benno Stamp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-20
Filing date: 2015-06-20
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements (10) für ein Fahrzeug, bei welchem eine Kernschicht (12) aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum mit wenigstens einer in zumindest teilweiser Überdeckung mit der Kernschicht (12) angeordneten Deckschicht (14, 16) mittels einer zwischen der Kernschicht (12) und der Deckschicht (14, 16) angeordneten Bindeschicht (18, 20) aus einem Klebstoff verbunden wird, wobei das Verbundelement (10) auf eine Temperatur erwärmt wird, welche oberhalb der Schmelztemperatur wenigstens eines Kunststoffes der den Kunststoff und Verstärkungsfasern aufweisenden Deckschicht (14, 16), oberhalb der Aktivierungstemperatur des Klebstoffs und unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht (12) liegt, sowie ein Verbundelement (10) für ein Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein durch ein solches Verfahren hergestelltes Verbundelement für ein Fahrzeug.
Ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits aus der DE 10 2006 058 257 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Verbundelement umfasst eine Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum sowie wenigstens eine Deckschicht. Im Rahmen des Verfahrens wird die Deckschicht mit der Kernschicht in zumindest teilweiser Überdeckung angeordnet und mittels einer zwischen der Kernschicht und der Deckschicht angeordneten Bindeschicht aus einem Klebstoff verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem eine einfache Herstellung des Verbundelements sowie eine besonders feste Verbindung zwischen der Kernschicht und der Deckschicht realisieren lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders einfache Herstellung des Verbundelements sowie eine besonders feste Verbindung zwischen der Kernschicht und der Deckschicht realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verbundelement auf eine Temperatur erwärmt wird, welche oberhalb der Schmelztemperatur wenigstens eines Kunststoffes der den Kunststoff und Verstärkungsfasern aufweisenden Deckschicht, oberhalb der Aktivierungstemperatur des Klebstoffs und unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht liegt. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckschicht wenigstens einen Kunststoff sowie zusätzlich zu dem Kunststoff vorgesehene und von dem Kunststoff unterschiedliche Verstärkungsfasern aufweist. Um das Verbundelement auf besonders einfache Weise herzustellen sowie die Kernschicht besonders fest mit der Deckschicht zu verbinden, wird das Verbundelement erwärmt, so dass der reaktive Klebstoff aktiviert und der Kunststoff der Deckschicht aufgeschmolzen beziehungsweise angeschmolzen wird. Ein An- oder Aufschmelzen der Kernschicht unterbleibt jedoch. Die Aktivierung des Klebstoffs erfolgt erfindungsgemäß ohne mechanische Beaufschlagung, so dass beispielsweise allein durch die auftretende Adhäsion des Klebstoffes und den aufgeschmolzenen Kunststoff der Deckschicht eine Anhaftung der Schichten untereinander zu einem sehr frühen Zeitpunkt entsteht. Diese Anhaftung kann beispielsweise durch eine Presskraft in einem Presswerkzeug vergrößert werden. Mit anderen Worten wird das Verbundelement beispielsweise nach oder bei dem Erwärmen mittels eines Werkzeugs, insbesondere eines Presswerkzeugs und/oder eines Spritzgusswerkzeugs, verpresst. Hierbei kann sich bereits der Kunststoff der Deckschicht stoffschlüssig mit dem Klebstoff und der Klebstoff mit der Kernschicht verbinden, ohne dass es jedoch zu einem Aufschmelzen und somit zu einer unerwünschten Verformung der Kernschicht kommt. Dabei ist es möglich, als die Kernschicht einen geschlossenporigen, also glatten Schaum einzusetzen. Selbstverständlich ist die Verwendung eines randseitig offenporigen Schaums auch denkbar, wobei sich dann der Kunststoff der Deckschicht und der Klebstoff formschlüssig in offene Hohlräume des Schaums verkrallen können, was in einfacher Weise zu einer besonders festen Verbindung führt.
Durch das Erwärmen des Verbundelements vor dem Verpressen und/oder vor einem Umformen des Verbundelements werden die Schichten vor dem Umformen aufeinander geschichtet und gegebenenfalls leicht miteinander verbunden. Aufgrund dessen, dass die Verbindung der Schichten untereinander vor dem Umformen besteht, bereitet beispielsweise eine Zuführung des beispielsweise als Halbzeug ausgebildeten Verbundelements in ein Umformwerkzeug, mittels welchem dann das Verbundelement umgeformt wird, keinerlei Schwierigkeiten, da die Positionierung der Schichten zueinander fixiert ist. Der Umformvorgang und dadurch die Bildung eines Sandwich-Bauteils aus dem Verbundelement verlaufen daher besonders prozesssicher, da die Schichten während des Umformens nicht auf aufwändige Weise in einer vorgegebenen Relativposition zueinander gehalten werden müssen.
Nach dem Erwärmen und insbesondere nach dem Verpressen ist das Verbundelement beispielsweise ein Halbzeug, aus welchem ein Verbundbauteil in Form eines Sandwich-Bauteils für das Fahrzeug hergestellt werden kann. Im Rahmen der Herstellung des Verbundbauteils wird das Halbzeug (Verbundelement) beispielsweise umgeformt. Insbesondere ist es möglich, das Halbzeug zu einem späteren Zeitpunkt, das heißt nach dem Verpressen, zu konfektionieren, erneut zu erwärmen und in einem Umformwerkzeug zum gewünschten Verbundbauteil umzuformen.
Vor dem Erwärmen kann der Klebstoff beziehungsweise die Bindeschicht in Form einer Folie, eines Vlieses oder in Pulver- oder Puderform vorliegen und in den entsprechenden Verarbeitungsprozess eingebracht werden.
Optional können auch gleichzeitig in den Erzeugungsprozess des Verbundelements Dekorfolien integriert werden. Diese können gegebenenfalls mit zusätzlichen reaktiven Klebeschichten oder thermoplastischen Schmelzschichten zur Anbindung versehen sein. Diese Klebeschichten können ebenfalls in Form einer Folie, einer Schaumschicht, eines Vlieses oder in Puderform in den Verarbeitungsprozess eingebracht werden.
Denkbar ist auch die Bereitstellung einer Zusatzschicht, die anstelle der Dekorschicht oder gemeinsam mit dieser in den Schichtverbund integriert wird, wobei die Zusatzschicht die äußerste Schicht bildet und zur Verhinderung von Anhaftungen des Sandwich-Aufbaus in einem Aufheizofen und/oder Aufheizpresse zum Erwärmen des Verbundelements dient. Die Zusatzschicht hat dementsprechend einen höheren Schmelzpunkt als der Kunststoff der Deckschicht.
Vorzugsweise wird als der Kunststoff der Deckschicht ein Thermoplast verwendet, welcher insbesondere Polypropylen (PP) sein kann. Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der thermoplastische Kunststoffschaum aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet ist, so dass die Kernschicht als PET-Schaumkern ausgebildet ist. PET ist bei Temperaturen über 140°C in einem erweichten Zustand und kann damit plastisch verformt werden. Erst bei Erreichen des Schmelzpunktes über 250°C beginnt das Aufschmelzen. Während PP bereits bei 160°C schmilzt. Diese Materialkombination ist damit besonders vorteilhaft, da zwischen 160°C und 250°C der Thermoplast der Deckschicht geschmolzen ist und der Kern plastisch verformbar ist, ohne, dass die Schaumstruktur zerstört wird. Damit ergibt sich für den Herstellprozess ein großer möglicher Temperaturbereich.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch den Kunststoff der Deckschicht vor dem Erwärmen Fasern gebildet sind, die durch das Erwärmen aufgeschmolzen werden und infolge des Aufschmelzens eine Kunststoffmatrix bilden, in welche die Verstärkungsfasern eingebettet werden. Nach dem Herstellen des Verbundelements ist die Deckschicht somit aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, bei welchem die Fasern Verstärkungsfasern sind. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich um Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern beziehungsweise Karbonfasern und/oder Naturfasern und/oder Aramidfasern handeln.
Zur Erfindung gehört auch ein Verbundelement, insbesondere ein Verbundbauteil, für ein Fahrzeug, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbundelements für ein Fahrzeug, bei welchem das Verbundelement auf eine Temperatur erwärmt wird, welche oberhalb der Schmelztemperatur eines Kunststoffs einer den Kunststoff und Verstärkungsfasern aufweisenden Deckschicht des Verbundelements, oberhalb der Aktivierungstemperatur eines Klebstoffs des Verbundelements und unterhalb der Schmelztemperatur einer Kernschicht des Verbundelements liegt.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements 10 für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Bei dem Verbundelement 10 handelt es sich beispielsweise um ein Halbzeug, welches nach seiner Herstellung in ein Umformwerkzeug eingebracht und mittels des Umformwerkzeugs umgeformt werden kann, wodurch ein Verbundbauteil in Form eines Sandwich-Bauteils für das Fahrzeug hergestellt wird.
Das Verbundelement 10 umfasst eine Kernschicht 12 aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum, welcher beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet ist. Ferner umfasst das Verbundelement 10 Deckschichten 14 und 16, welche in jeweiliger, gegenseitiger Überdeckung mit der Kernschicht 12 angeordnet sind. Die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 umfasst ein unkonsolidiertes oder konsolidiertes, thermoplastisches, faserverstärktes textiles Gebilde, insbesondere ein Hybridtextil, wie beispielsweise einen Vliesstoff, ein Gewebe, ein Gelege oder dergleichen mit Verstärkungsfasern beispielsweise aus Glas, Karbon oder Aramid. Alternativ oder zusätzlich können Verstärkungsfasern in Form von Naturfasern vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass die jeweilige Deckschicht 14 und 16 einen Kunststoff sowie zusätzlich zu dem Kunststoff vorgesehene und von dem Kunststoff unterschiedliche Verstärkungsfasern umfasst, wobei die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Karbonfasern und/oder Aramidfasern und/oder Naturfasern sein können. Bei dem Kunststoff der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 handelt es sich vorzugsweise um einen Thermoplasten, insbesondere Polypropylen (PP).
Im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Verbundelements 10 wird die Kernschicht 12 mit den Deckschichten 14 und 16 mittels jeweiliger, zwischen der Kernschicht 12 und der Deckschicht 14 beziehungsweise zwischen der Kernschicht 12 und der Deckschicht 16 angeordneter Bindeschichten 18 beziehungsweise 20 verbunden. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 ist dabei aus einem reaktiven Klebstoff gebildet, welcher zusätzlich zu der Kernschicht 12 und zusätzlich zu den Deckschichten 14 und 16 vorgesehen ist. Durch die Kernschicht 12, die Deckschichten 14 und 16 sowie die Bindeschichten 18 und 20 ist ein Schichtverbund geschaffen, welcher vorliegend optional weitere Schichten in Form von Dekorschichten 22 und 24 umfasst. Dabei sind die Dekorschichten 22 und 24 in gegenseitiger Überdeckung mit den jeweiligen Deckschichten 14 und 16 angeordnet. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 ist eine reaktive Klebeschicht zur Anbindung der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 an die Kernschicht 12, welche einen sogenannten Sandwich-Kern darstellt. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 kann in Form einer Folie, eines Vlieses oder in Puderform in den Verarbeitungsprozess eingebracht werden.
Der die Kernschicht 12, die Deckschichten 14 und 16, die Bindeschichten 18 und 20 und vorliegend die Dekorschichten 22 und 24 umfassende Schichtverbund wird in ein Werkzeug 26 eingebracht, welches zwei gegenüberliegend angeordnete Werkzeughälften 28 und 30 umfasst. Mittels des Werkzeugs 26 wird das Verbundelement 10 beziehungsweise der Schichtverbund auf eine Temperatur erwärmt, welche oberhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Thermoplasten der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16, oberhalb der Aktivierungstemperatur des reaktiven Klebstoffs der jeweiligen Bindeschicht 18 beziehungsweise 20, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht, das heißt der Schmelztemperatur des Kunststoffschaums liegt, welcher vorzugsweise Polyethylenterephthalat (PET) ist. Alternativ zu dem aufgezeigten, als Aufheizpresse ausgebildeten Werkzeug 26 kann die Erwärmung der Schichten konvektiv oder über Wärmestrahlung sowie über die Kombination derer realisiert werden. Durch dieses Erwärmen des Schichtverbunds und insbesondere der Deckschichten 14 und 16 werden die thermoplastischen Deckschichten 14 und 16 aufgeschmolzen. Ferner wird der reaktive Klebstoff durch die Wärmeeinwirkung aktiviert, so dass die jeweilige Bindeschicht 18 und 20 in einem nachfolgenden Pressprozess zumindest eine Anfangsfestigkeit entwickelt.
Die Aktivierungstemperatur des Klebstoffes liegt unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht 12 beziehungsweise des Kunststoffschaums. Da beim Erwärmen des Verbundelements 10 beziehungsweise des Schichtverbunds eine Temperatur gewählt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur von Polypropylen und der Aktivierungstemperatur des Klebstoffs, aber unterhalb der Schmelztemperatur von PET liegt, wird die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 aktiviert und der jeweilige Thermoplastanteil der Deckschichten 14 und 16 wird aufgeschmolzen. Die Kernschicht 12 jedoch schmilzt nicht und bleibt somit während der Verarbeitung zumindest nahezu stabil. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Verbindungsherstellung zwischen den Schichten realisiert werden. Nach oder bei dem Erwärmen werden die Werkzeughälften 28 und 30 – wie in der Fig. durch einen Richtungspfeil veranschaulicht ist – aufeinander zubewegt, wodurch das Verbundelement 10 beziehungsweise der Schichtaufbau verpresst wird. Durch die Verwendung der als reaktive Klebeschichten ausgebildeten Bindeschichten 18 und 20 kann eine besonders feste Anhaftung zwischen den Deckschichten 14 und 16 und der Kernschicht 12 realisiert werden. Zudem kann die Kernschicht 12 glatte, das heißt porenfreie beziehungsweise geschlossenporige Oberflächen aufweisen.
Nach dem Verpressen werden die Werkzeughälften 28 und 30 wieder auseinander bewegt, woraufhin das fertig hergestellte Verbundelement 10 beziehungsweise das Halbzeug aus dem Werkzeug 26 beziehungsweise aus dem Ofen oder Wärmestrahlfeld entnommen werden kann.
Im Anschluss daran kann das Halbzeug abkühlen, woraufhin aus dem Halbzeug das zuvor genannte Verbundbauteil hergestellt werden kann. Zum Herstellen des Verbundbauteils wird das heiße hergestellte Halbzeug (Verbundelement 10) beispielsweise in ein Umformwerkzeug eingebracht. Hier ist es hervorzuheben, dass es 2 Optionen gibt. Bei einer ersten der Optionen wird das heiße Halbzeug direkt zum Bauteil durch ein Werkzeug verarbeitet. Bei der zweiten Option wird das Halbzeug, insbesondere nach dem es abgekühlt ist, erneut aufgewärmt und dann zu einem Bauteil verarbeitet. Vor dem Einbringen in das Umformwerkzeug und/oder mittels des Umformwerkzeugs kann das Halbzeug erwärmt werden, so dass das Halbzeug mittels des Umformwerkzeugs in erwärmtem Zustand umgeformt werden kann. Da bei diesem Umformen die Schichten des Schichtverbunds bereits miteinander verbunden sind, müssen die Schichten nicht aufwändig in einer vorgegebenen Relativposition zueinander gehalten werden, so dass das Halbzeug besonders einfach umgeformt werden kann. Dadurch lässt sich eine besonders einfache Herstellung des Verbundbauteils realisieren.
Die optional vorgesehenen Dekorschichten 22 und 24 können über optional vorgesehene, zusätzliche reaktive Klebeschichten oder über thermoplastische Schmelzschichten an die Deckschichten 14 und 16 angebunden werden. Diese Klebeschichten können in Form einer Folie, eines Vlieses oder in Puderform in den Verarbeitungsprozess eingebracht werden.
Des Weiteren ist der Einsatz wenigstens einer Zusatzschicht mit einem höheren Schmelzpunkt als PP zur Reduzierung der Anhaftung im beispielsweise als Aufheizofen ausgebildeten Werkzeug 26 möglich. Eine solche Zusatzschicht kann beispielsweise durch Polyamid (PA) gebildet sein und die äußerste Schicht des Schichtverbunds bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006058257 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundelements (10) für ein Fahrzeug, bei welchem eine Kernschicht (12) aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum mit wenigstens einer in zumindest teilweiser Überdeckung mit der Kernschicht (12) angeordneten Deckschicht (14, 16) mittels einer zwischen der Kernschicht (12) und der Deckschicht (14, 16) angeordneten Bindeschicht (18, 20) aus einem Klebstoff verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundelement (10) auf eine Temperatur erwärmt wird, welche oberhalb der Schmelztemperatur wenigstens eines Kunststoffes der den Kunststoff und Verstärkungsfasern aufweisenden Deckschicht (14, 16), oberhalb der Aktivierungstemperatur des Klebstoffs und unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht (12) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundelement (10) nach oder bei dem Erwärmen verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundelement (10) bei dem Verpressen umgeformt wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Kunststoff der Deckschicht (14, 16) ein Thermoplast verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass als der Thermoplast Polypropylen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kunststoff der Deckschicht (14, 16) vor dem Erwärmen Fasern gebildet sind, die durch das Erwärmen aufgeschmolzen werden und infolge des Aufschmelzens eine Kunststoffmatrix bilden, in welche die Verstärkungsfasern eingebettet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der thermoplastische Kunststoffschaum ein Kunststoffschaum aus Polyethylenterephthalat verwendet wird.
Verbundelement, insbesondere Verbundbauteil für ein Fahrzeug, welches mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.