DE102017011819A1

DE102017011819A1 - Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017011819A1
Application number: DE102017011819.1A
Authority: DE
Inventors: Hubert Bieder; Tobias Blumenstock; Christoph Menzel; Benno Stamp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundelement (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten (14, 16) aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordneten und mit den Deckschichten (14, 18) verbundenen Kernschicht (18) aus einem Kunststoffschaum. Eine erste Deckschicht (14) der Deckschichten (14, 16) weist Fasern mit einer ersten Faserlänge und eine geringere Dehnbarkeit als eine zweite Deckschicht (16) der Deckschichten (14, 16) auf, welche Fasern mit einer im Vergleich zur ersten Faserlänge kleineren, zweiten Faserlänge aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 10 2016 000 726 A1 ist ein gattungsgemäßes Verbundelement mit Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten und mit den Deckschichten verbundenen Kernschicht aus einem Kunststoffschaum bekannt. Eine erste der Deckschichten ist als auf einer der Kernschicht abgewandten Seite unkaschierte Deckschicht ausgebildet und weist Naturfasern als Verstärkungsfasern auf. Eine zweite der Deckschichten ist auf einer der Kernschicht abgewandten Seite mittels wenigstens eines Dekors des Verbundelements kaschiert und weist von den Naturfasern unterschiedliche Verstärkungsfasern auf.
Die DE 10 2012 006 609 A1 zeigt ein Sandwichbauteil mit einer Wabenkernlage und einer faserverstärkten thermoplastischen Deckschicht. Die Deckschicht ist mittels eines thermoplastischen Materials mit der Wabenkernlage verbunden. Zumindest eine Seite des Sandwichbauteils weist eine Dekorlage auf, die auf der Deckschicht angeordnet ist. Das Sandwichbauteil umfasst zudem eine mit der Deckschicht und der Dekorlage verbundene Schaumlage, welche zwischen der Deckschicht und der Dekorlage angeordnet ist.
Des Weiteren ist aus der DE 198 32 721 A1 ein schichtenförmig zusammengesetzter Verbundwerkstoff zur Stabilisierung einer Kernkomponente von Formteilen bekannt, wobei jeweilige Schichten des Verbundwerkstoffs aus einer Thermoplastschicht und einem textilen Flächengebilde, welches Naturfasern enthält, und einer in Längs- und Querrichtung dehnbaren Abdeckschicht bestehen.
Bei Fahrzeugen kommen Verbundelemente, insbesondere in Form von gepressten Verkleidungsteilen zum Einsatz, wobei solche Verkleidungsteile insbesondere als Innenverkleidungsteile verwendet werden und in Innenräumen von Fahrzeugen verbaut werden. Die gepressten Verkleidungsteile werden oftmals aus thermoplastischen Hybrid-Vliesstoffen hergestellt. Diese bezeichnen eine Kombination aus Verstärkungs- und Kunststofffasern, die durch wirre Anordnung einen Verbundwerkstoff bilden, wobei insbesondere Natur- oder Glasfasern als Verstärkungskomponente zum Einsatz kommen können.
Die Verbundelemente können allgemein einen Sandwichverbund aus mehreren Deckschichten mit einem als thermoplastische Matrix ausgebildeten Kunststoff und einem zugehörigen Kernmaterial, welches auch als Kernschicht bezeichnet werden kann, ausbilden. Durch diesen Sandwichverbund weisen die Verbundelemente eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf.
3 zeigt exemplarisch einen Umformprozess bei der Herstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelements 100, bei welchem ein Kunststoff, also eine Matrix, jeweiliger Deckschichten 102, 104 in jeweils geschmolzener Form vorliegt, was eine Umformung, also eine Formgebung, des Verbundelements 100 mittels eines Umformwerkzeugs 108 begünstigt, bzw. zulässt. Zwischen den beiden Deckschichten 102, 104 befindet sich eine Kernschicht 106, welche auch als Schaumkern bezeichnet werden kann. Bei dem in 3 gezeigten Verbundelement 100 sind die beiden Deckschichten 102, 104 aus einem Verbund aus Polypropylen (PP) und Verstärkungsfasern und die Kernschicht 106 als thermoplastischer Schaumkern ausgebildet.
Problematisch bei der Formgebung ist, dass insbesondere bei starker Umformung des Verbundelements 100 eine starke, zumindest lokale Materialdehnung auftritt, was zu sogenannten Ausdünnungen 110 insbesondere an der, dem Umformwerkzeug 108 abgewandten Deckschicht 102 führen kann. Dadurch kann eine übermäßige Dehnung der Deckschicht 102 und sogar eine Rissbildung an der Deckschicht 102 auftreten.
Ein weiteres Problem bei der Formgebung (Umformung) besteht darin, dass die von dem Umformwerkzeug 108 entfernt liegende Deckschicht 102 bei der Formgebung um eine, durch das Umformwerkzeug 108 vorgegebene, konvexe Form aufgrund von durch die Umformung bedingten Zugspannungen entsprechende Normalkräfte auf die zwischen den Deckschichten 102, 104 liegende Kernschicht 106 des Verbundelements 100 ausübt. Infolgedessen wird die Kernschicht 106 zusammengedrückt und verliert dabei im Bereich der Ausdünnung 110 an Höhe. Dadurch kommt es zu ungünstigen Steifigkeitsverlusten des Verbundelements 100, wobei die Kernschicht 106 (Schaumkern) im Extremfall sogar vollständig zerdrückt werden und damit ein Sandwicheffekt zumindest in einem Teilbereich des Verbundelements 100 nahezu vollständig verloren gehen kann. Dies führt insbesondere bei hohen Ziehtiefen dazu, dass Radienbereiche des Verbundelements 100 stark geschwächt werden und damit das gesamte Verbundelement 100 entsprechenden Belastungsanforderungen nicht genügen kann, obwohl in radienfernen Bereichen keine derartige Ausdünnung bzw. kein derartiges Zusammendrücken erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches besonders günstige Umformeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einem Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten und mit den Deckschichten verbundenen Kernschicht aus einem Kunststoffschaum, aus. Die Deckschichten umfassen also jeweilige Fasern, welche mit dem Kunststoff verbunden sind. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können auch als jeweiliges Vlies ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die erste Deckschicht als erstes Vlies und die zweite Deckschicht als zweites Vlies ausgebildet sein.
Um ein Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welches besonders günstige Umformeigenschaften aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Deckschicht der Deckschichten Fasern mit einer ersten Faserlänge und eine geringere Dehnbarkeit als eine zweite Deckschicht der Deckschichten aufweist, welche Fasern mit einer im Vergleich zur ersten Faserlänge kleineren, zweiten Faserlänge aufweist. Durch die verschiedenen Faserlängen der jeweiligen Deckschichten sind die beiden Deckschichten voneinander verschieden. Mit anderen Worten weist das Verbundelement dadurch einen asymmetrischen Materialaufbau auf, wodurch aus dem Stand der Technik bekannte Probleme der unerwünschten Ausdünnung bzw. des unerwünschten Zusammendrückens vermieden werden können.
Die erste Deckschicht kann vorzugsweise als Verbund mit hohem Dehnwiderstand gebildet sein, welcher eine Matrix aus Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen und Verstärkungsfasern aufweisen kann. Die zweite Deckschicht kann vorzugsweise als Verbund mit im Vergleich zur ersten Deckschicht geringem Dehnwiderstand gebildet sein, welcher ebenfalls eine Matrix aus Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen und Verstärkungsfasern aufweisen kann.
Bei einer Formgebung (Umformung) des Verbundelements ist es vorteilhaft die Deckschichten derart relativ zum Umformwerkzeugs anzuordnen, dass die zweite Deckschicht beim Umformen des Verbundelements an einer konvexen Seite des Verbundelements liegt, also vom Umformwerkzeug abgewandt angeordnet ist, sodass die zweite Deckschicht aufgrund ihrer Beschaffenheit zumindest bei deren Verarbeitungstemperatur keine hohen Dehnkräfte aufnehmen kann. Damit ist die zweite Deckschicht bei der Verformung auch nicht in der Lage eine hohe Normalkraft auf die Kernschicht auszuüben, wodurch die Kernschicht nur unwesentlich beim Verformen verpresst (zusammengedrückt) wird. Dadurch kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Steifigkeit des Verbundelements, zumal die Kernschicht kaum zusammengedrückt wird und dementsprechend ihre Funktion der Steifigkeitserhöhung als Kern des Verbundelements aufrechterhalten kann.
Würden beide Deckschichten aus dem gleichen Material gefertigt werden, so wäre ein Umformen im Rahmen eines Tiefziehens kaum zerstörungsfrei möglich, da die Deckschichten sehr schnell durch hohe lokale Dehnung zerstört werden könnten.
Die Vermeidung von hoher lokaler Dehnung übernimmt die erste Deckschicht, welche derart beschaffen ist, dass sie bei deren Verarbeitungstemperatur nur eine geringe Dehnung zulässt. Die erste Deckschicht kann im Gegensatz zur zweiten Deckschicht somit besonders hohe radiale Kräfte am Umformwerkzeug verursachen, was jedoch nicht von Nachteil ist. Durch den hohen Dehnwiderstand der ersten Deckschicht kann beim Umformen einerseits Material von jeweiligen Randbereichen des Verbundelements nachfließen und andererseits erfolgen Dehnungen nicht nur lokal, sondern verteilen sich auf größere Flächen. Wenn bei der Herstellung des Verbundelements durch das Umformen das Nachfließen des Materials nicht behindert wird und das Material genug Festigkeit aufweist, kann in Bereichen des Verbundelements mit hohem Umformgrad (Tiefziehgrad) ausreichend Material nachfließen und damit eine lokale Ausdünnung verhindert werden. Dies wird durch die erste Deckschicht mit deren, im Vergleich zur zweiten Deckschicht geringeren Dehnbarkeit ermöglicht.
Die verschiedenen Deckschichten erfüllen also bei der Herstellung des Verbundelements während des Umformens verschiedene Funktionen. Die erste Deckschicht unterstützt das Nachfließen des Materials und reduziert lokale Dehnungen, während die zweite Deckschicht möglichst geringe Kräfte beim Umformen, also bei deren Dehnung erzeugt.
Mit dem Verbundelement ist zusammenfassend ein Mehrlagenverbund geschaffen, welcher zumindest die verschiedenen Deckschichten und die zwischen den Deckschichten angeordnete Kernschicht umfasst, bei welchem die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme der unerwünschten Ausdünnung und des unerwünschten Zusammendrückens zumindest wesentlich reduziert werden können, wodurch hohe Umformgrade bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Steifigkeit erzielt werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Verbundelements;
2 eine weitere schematische Schnittansicht des mittels eines Umformwerkzeugs an einem Umformbereich verformten Verbundelements; und
3 eine schematische Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelements.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Verbundelements 10 für ein vorliegend nicht weiter dargestelltes Fahrzeug. Das Verbundelement 10 umfasst jeweilige Deckschichten 14, 16 aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine, zwischen den Deckschichten 14, 16 angeordnete und mit den Deckschichten 14, 16 verbundene Kernschicht 18 aus einem Kunststoffschaum. Der Kunststoffschaum ist vorliegend als Polyethylenterephthalat-Schaum (PET-Schaum) ausgebildet. Die Verwendung des Polyethylenterephthalat-Schaums ist von Vorteil, da der thermoplastische Schaumkern 18 hierdurch bei dessen Verarbeitungstemperatur plastisch verformbar, jedoch noch nicht in einem geschmolzenen Zustand vorliegt, während der PP-Anteil der Deckschicht aufgeschmolzen ist. Dadurch ergibt sich eine Weichheit des Schaumkerns 18 bei dessen Verarbeitungstemperatur, sodass unterschiedliche Festigkeiten bzw. Dehnbarkeiten der Deckschichten 14, 16 insgesamt besonders gut zur Geltung kommen. Die jeweiligen Deckschichten 14, 16 und die Kernschicht 18 bilden einen Sandwichverbund 12. Die Deckschichten 14, 16 sind vorliegend als jeweilige Vliese ausgebildet. Die Deckschichten 14, 16 sind mittels einer jeweiligen Haftvermittler-Folie (nicht gezeigt) mit der Kernschicht 18 verbunden.
Zumindest eine der Deckschichten 14, 16 kann aus einer Mehrzahl an Einzelschichten, welche zu der jeweiligen Deckschicht 14 bzw. zu der Deckschicht 16 verbunden sein können, bestehen. Dadurch ist eine besonders gezielte Einstellung von physikalischen Eigenschaften der Deckschicht 14 bzw. 16 ermöglicht. So kann beispielsweise ein jeweiliger Massenanteil an Verstärkungsfasern schichtweise in der jeweiligen Deckschicht 14 bzw. 16 reduziert sein, indem eine der Einzelschichten aus reinem Matrixmaterial (ohne Verstärkungsfasern) oder gegenüber einer anderen der Einzelschichten bzw. den anderen Einzelschichten erhöhtem Anteil an Matrixmaterial gebildet ist. Zumindest eine der Einzelschichten kann auch eine unterschiedliche Faserlänge, also länger oder kürzere Verstärkungsfasern aufweisen, als andere Einzelschichten.
Die erste Deckschicht 14 ist vorliegend zumindest teilweise aus Naturfasern, Kunststofffasern und zusätzlich oder alternativ aus Glasfasern gebildet.
Das Verbundelement 10 weist zudem ein Dekorelement 28 sowie ein Schaumelement 30 auf, mittels welcher das Dekorelement 28 auf der ersten Deckschicht 14 gehalten ist. Das Dekorelement 28 kann als TPO-Folie oder als PVC-Folie ausgebildet sein, wobei das Schaumelement 30 einen Schaumrücken des Dekorelements 28 bilden kann.
Die erste Deckschicht 14 der Deckschichten 14, 16 weist Fasern mit einer ersten Faserlänge sowie eine geringere Dehnbarkeit als die zweite Deckschicht 16 der Deckschichten 14, 16 auf, welche Fasern mit einer im Vergleich zur ersten Faserlänge kleineren, zweiten Faserlänge aufweist.
Die Fasern der ersten Deckschicht 14 sind vorliegend unidirektional ausgerichtet. Alternativ dazu können die Fasern der ersten Deckschicht 14 auch als Fasergewebe oder als Fasergitter ausgebildet sein. Durch Einbringen der unidirektional ausgerichteten, also mit anderen Worten gerichteten Fasern oder das Ausbilden der Fasern als Fasergewebe bzw. als Fasergitter kann der Effekt des Widerstands gegen Dehnung in der ersten Deckschicht 14 noch weiter gesteigert werden. Damit kann die, im Vergleich zur zweiten Deckschicht 16 weniger stark dehnbare, also einen höheren Dehnwiderstand aufweisende, erste Deckschicht 14 (erstes Vlies) verstärkt werden, was bei der Verarbeitung (Umformen) insgesamt eine geringere Dehnung des Sandwichverbunds 12 bewirkt.
Zudem können die Fasern der ersten Deckschicht 14 als im Vergleich zu den Fasern der zweiten Deckschicht 16 verschiedene Fasertypen aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können zumindest einige der Fasern, vorzugsweise sämtliche Fasern der ersten Deckschicht 14 Verzweigungen aufweisen. Durch die Verzweigungen kann ein besonders großer Dehnwiderstand der ersten Deckschicht 14 erzielt werden, da sich die Fasern aufgrund deren Verzweigungen bei Belastung miteinander verhaken können.
2 zeigt ein Umformen des Verbundelements 10 mittels eines Umformwerkzeugs 40, wodurch das Verbundelement 10 an einem Umformbereich 50 plastisch verformt wird. Infolge der unterschiedlichen Faserlängen weist die dem Umformwerkzeug 40 beim Umformen zugewandte, erste Deckschicht 14 einen hohen Dehnwiderstand auf, wohingegen die dem Umformwerkzeug 40 beim Umformen abgewandte, zweite Deckschicht 16 einen besonders geringen Dehnwiderstand aufweist. Damit werden lokale Dehnungen des Verbundelements 10 selbst bei starkem Umformen gering gehalten, bzw. reduziert, sodass der Sandwichverbund 12 selbst bei einem derart starken Umformen erhalten bleibt.
Das Verbundelement 10 ermöglicht zusammenfassend eine verbesserte Verformung bzw. Umformung von Sandwichbauteilen aus Mikrosandwich, da eine lokale Ausdünnung des Materials des Verbundelements 10 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelementen wesentlich reduziert werden kann. Aufgrund der geringeren Zugkräfte in der dehnbaren, zweiten Deckschicht 16 wirken bei der Verarbeitung, also beim Umformen des Verbundelements 10 weniger Normalkräfte auf die Kernschicht 18, womit eine Höhe der Kernschicht 18 beim Umformen zumindest weitgehend erhalten bleibt. Dadurch weist das umgeformte Verbundelement 10 auch in stark verformten Bereichen des Sandwichverbunds 12 eine hohe Steifigkeit auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016000726 A1 [0002]
DE 102012006609 A1 [0003]
DE 19832721 A1 [0004]

Claims

Verbundelement (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten (14, 16) aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordneten und mit den Deckschichten (14, 18) verbundenen Kernschicht (18) aus einem Kunststoffschaum, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Deckschicht (14) der Deckschichten (14, 16) Fasern mit einer ersten Faserlänge und eine geringere Dehnbarkeit als eine zweite Deckschicht (16) der Deckschichten (14, 16) aufweist, welche Fasern mit einer im Vergleich zur ersten Faserlänge kleineren, zweiten Faserlänge aufweist.
Verbundelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Fasern der ersten Deckschicht (14) unidirektional ausgerichtet sind oder als Fasergewebe oder als Fasergitter ausgebildet sind.
Verbundelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Fasern der ersten Deckschicht (14) Verzweigungen aufweisen.
Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (14) zumindest teilweise aus Naturfasern, Kunststofffasern und/oder Glasfasern gebildet ist.
Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundelement (10) ein Dekorelement (28) sowie ein Schaumelement (30) aufweist, mittels welcher das Dekorelement (28) auf der ersten Deckschicht (14) gehalten ist.
Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum der Kernschicht (18) als Polyethylenterephthalat-Schaum ausgebildet ist.
Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Deckschichten (14, 16) Polypropylen enthält.
Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Deckschichten (14, 16) mittels einer Haftvermittler-Folie mit der Kernschicht (18) verbunden ist.