DE10123176A1 - Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit einer Deckschicht und einer Schaum aufweisenden Kernschicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit einer Deckschicht und einer Schaum aufweisenden Kernschicht

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit einer Deckschicht und einer Schaum aufweisenden Kernschicht. Bei dem Verfahren werden die Deckschicht und weitere Ausgangsmaterialien geschichtet in ein Formwerkzeug eingebracht, das Formwerkzeug geschlossen und die Ausgangsmaterialien werden während einer Vorpresszeit miteinander verpresst. DOLLAR A Während der Vorpresszeit werden die Ausgangsmaterialien erwärmt und ein Treibmittel insbesondere thermisch aktiviert. Das Treibmittel bildet mit mindestens einem Ausgangsmaterial den Schaum. Nach der Vorpresszeit wird das Formwerkzeug bis zu dem Endwert der Schichtdicke des Sandwichbauteiles in Formendstellung zurückgefahren, wobei das freiwerdende Volumen mit sich bildendem und/oder ausdehnendem Schaum gefüllt und eine Kernschicht ausgebildet wird. In der Formendstellung werden alle vernetzbaren Ausgangsmaterialien abschließend vernetzt und nach der abschließenden Vernetzung aller vernetzbaren Ausgangsmaterialien das Formwerkzeug geöffnet und das OSS-SMC-Sandwich entnommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sand­ wichbauteilen mit einer Deckschicht und einer Schaum aufweisen­ den Kernschicht, wie es bspw. aus der gattungsbildend zugrunde­ gelegten DE 199 14 327 A1 als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 199 14 327 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Sandwichbauteile hergestellt werden können, deren aus einem so­ genannten SMC-(sheet-molding-compound)-Sandwich hergestellten Deckschichten mit einer Zwischenlage aus Schaum versehen wer­ den. Die Deckschichten werden in einem Preßwerkzeug vorgefer­ tigt, ggf. zugeschnitten und unter Zwischenlage einer ebenfalls zuvor zugeschnittenen Schaumplatte miteinander unter geringem Druck zu dem Sandwichbauteil verbunden. Des weiteren sind vor­ teilhafte Materialien für den Schaum und die SMC-Deckschichten, sowie Trennmittel zur vereinfachten Entnahme der fertigen (Schaum-)Sandwichbauteile aus dem Endwerkzeug erwähnt.
Der Herstellungsprozess weist jedoch mehrere Arbeitsschritte auf und ist daher langwierig, kompliziert, störungsanfällig und teuer.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sandwichbauteils zu entwickeln, mit dem die Fertigung leichter und dennoch steifer Bauteile, insbesondere von Karosseriebauteilen, in möglichst preisgünstiger Weise er­ möglicht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zuerst eine oder mehrere Deckschichten und weitere Ausgangsmaterialien geschich­ tet in ein Formwerkzeug eingebracht. Danach wird das Formwerk­ zeug wird geschlossen und die Ausgangsmaterialien während einer Vorpresszeit miteinander verpresst. Während der Vorpresszeit werden die Ausgangsmaterialien werden gleichzeitig erwärmt und ein Treibmittel insbesondere thermisch aktiviert. Das Treibmit­ tel ermöglicht hierbei zumindest die Schaumbildung. Gleichzei­ tig zu der Aktivierung des Treibmittels kann in vorteilhafter Weise eine Vernetzung wenigstens eines der Ausgangsmaterialien zumindest eingeleitet werden. Nach der Vorpresszeit wird das Formwerkzeug bis zu dem Endwert der Schichtdicke des Sandwich­ bauteiles in Formendstellung zurückgefahren, wobei das beim Zu­ rückfahren das freiwerdende Volumen mit dem sich bildenden und/oder ausdehnendem Schaum gefüllt wird und auf diese Weise eine Kernschicht ausgebildet. Um hierbei die Stabilität zu Er­ höhen könne zur Bildung der Kernschicht neben Schaum auch Fa­ sern, und/oder weitere Lagen in das Formwerkzeug eingebracht werden. Zum Schluss werden in der Formendstellung alle vernetz­ baren Ausgangsmaterialien abschließend vernetzt, das Formwerk­ zeug geöffnet und das OSS-SMC-Sandwich entnommen.
Um möglichst gute Oberflächenqualitäten zu ermöglichen ist es sinnvoll, daß in das Formwerkzeug als Erstes und als Letztes jeweils eine das spätere Sandwichbauteil außenseitig zumindest bereichsweise begrenzende Deckschicht und/oder deren Ausgangs­ stoffe eingelegt wird. Hierbei sollte zuerst geschäumt und an­ schließend die Deckschichten und/oder deren Ausgangsstoffe ver­ netzt und/oder gehärtet werden.
Wird nur eine hochqualitative Oberfläche angestrebt, wird zweckmäßiger Weise in das Formwerkzeug nur eine Deckschicht und/oder deren Ausgangsstoffe eingebracht werden, wobei vor dem Schäumen die Härtung der Deckschicht und/oder die Vernetzung der Ausgangsstoffe der Deckschicht eingeleitet wird.
Hierbei ist es günstig, für die Vorpresszeit (tVP), die Reakti­ onszeit der Deckschicht (tRDS), die Schäumzeit (tSch), die Reak­ tionszeit der Kernschicht (tRKS) und die Zeit bis zu Beginn des Schäumens ist (tBS) nachfolgende Zeitrelation zu wählen:
tVP ≦ tRDS + tSch ≦ tRKS + tRDS ≦ tBS.
Als Basiswerkstoff werden die im Fahrzeugbau etablierten Werk­ stoff für Sheet-Molding-Compound (SMC) gewählt, die im Heiß­ pressverfahren verarbeitet werden. Um die gewünschten hohen Steifigkeiten zu erreichen und damit heutige konventionelle Konstruktionen zu übertreffen, wird das Sandwichbauteil in der Art einer mehrlagigen Sandwichstruktur ausgeführt. Dadurch kann die bei herkömmlichen SMC-Bauteilen meist erforderliche Ausfüh­ rung als zweischalige oder stark verrippte bzw. versickte Kon­ struktion entfallen. Weitere Vorteile dieser Sandwichbauweise sind Kosteneinsparungen gegenüber zweischaligen oder stark ver­ rippten bzw. versickten Konstruktionen sowie die Vermeidung von Einfallstellen.
Ein vergleichbares Sandwichbauteil, das in der herkömmlichen Weise aus Deck- und Kernschichten in Einzelschritten gefertigt wird, ist aufgrund der hohen Herstellkosten nicht vertretbar. Daher ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anzahl der Arbeitsschritte reduziert. Gleichzeitig ist auch die Herstel­ lung von räumlich gekrümmten Bauteile ermöglicht. Ferner kann das Recycling der Bauteile ohne vorherige stoffliche Trennung erfolgen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 die Herstellung eines Sandwichbauteils mit zugehörigem Werkzeug,
Fig. 2 den zeitlichen Verfahrensablauf und
Fig. 3 einen Querschnitt durch verschiedene Sandwichbauteile.
Ein im erfindungsgemäßen Verfahren in einem Arbeitsschritt (one-step-sandwich) hergestelltes OSS-SMC-Sandwich kann aus zwei SMC-Deckschichten üblichen Aufbaus und einem Kern aus ge­ schäumtem SMC bestehen. Der Schaumkern des OSS-SMC- Sandwichbauteils wird während des Urformprozesses gebildet (siehe Fig. 1). Hierzu wird der SMC-Masse der Kernschicht ein Treibmittel beigegeben, das den Kern im Werkzeug vor der Ver­ netzung des Polymers aufschäumt. Der ggf. mehrlagige SMC- Zuschnitt wird flächig in das Werkzeug eingebracht und im ers­ ten Schritt verpresst. Nach Abschluss des Fließvorgangs und der Formfüllung erfolgt der für das Erreichen der gewünschten Sand­ wichdicke nötige Aufschäumvorgang. Durch den Schäumdruck des Kernmaterials bleiben die Deckschichten mit der Werkzeugober­ fläche in Kontakt.
Die Struktur des in "One-Step" gebildeten Formteils entspricht damit dem eines "gebauten" Sandwichs, wobei aber Deckschichten und Kernmaterial in vorteilhafter Weise aus demselben Basis­ werkstoff bestehen.
Ein nach diesem Verfahren hergestelltes SMC-Sandwich muss aber kein völlig ebenes Bauteil sein, sondern kann eine geometrische Strukturierung, wie z. B. sphärische Krümmungen, aufweisen.
In Fig. 2 ist der Prozessablauf über der Zeit dargestellt. Es sind die drei Phasen, Vorpressen, Schäumen und Härten darge­ stellt. Der Verfahrweg des Werkzeugs und der in der Vorpress­ zeit anliegende Druck ist erkennbar. In der Vorpresszeit wird sinnvollerweise die für die Aktivierung eines Treibmittels und die Vernetzung eines ungesättigten Polyesterharzes benötigte Wärmeenergie in den Compound eingebracht.
In bevorzugter Weise werden als Ausgangsmaterialien sowohl für die Deckschicht als auch für die Kernschicht Werkstoff einge­ setzt, die auf einem Standard-SMC beruhen und z. B. aus der gat­ tungsbildenden DE 199 14 327 A1 bekannt sind. Die Deckschicht ist, ausgehend von einem üblichen low shrink SMC, so modifi­ ziert, daß die Anforderungen des Prozesses erfüllt werden. Die Kernschicht basiert auf einem herkömmlichen SMC mit geringem Glasanteil und enthält mit 30 bis 40 Volumenprozent einen hohen Anteil SMC-Recyclat. Damit stellt das Sandwich ein Monosystem dar, das ohne stoffliche Trennung aufbereitet werden kann. Als Treibmittel der Kernschicht wird bevorzugt ein Alkohol einge­ setzt. Die Zykluszeiten bei der Verarbeitung von OSS-SMC- Sandwichbauteilen liegen im Bereich von 180-360 s. Die Dichte eines derartigen Sandwichbauteils liegt bei üblichen Schäumra­ ten zwischen 0,9 und 1 g/cm3 und lässt sich bei Steigerung der Schäumrate weiter reduzieren. Begrenzt wird dies von der für das jeweils betrachtete Sandwichbauteil erforderlichen mechani­ schen Beschaffenheit des Schaums.
Eine gute Poreneigenschaft ergab sich insbesondere bei der Ver­ wendung von Alkohol als Treibmittel und/oder bei der Einbrin­ gung von Mikrokapseln, die zu Anfang das Treibmittel beinhalte­ ten.
Der Vorteil von OSS-SMC-Sandwichbauteilen hinsichtlich Verbes­ serung der mechanischen Eigenschaften liegt u. a. in der Erzeu­ gung eines leichten biegesteifen Sandwichbauteils. Da hier ein­ zelne Kennwerte keine anschauliche Aussagekraft haben, ist nachfolgend eine tabellarische Gegenüberstellung von unter Flä­ chenlast beaufschlagten einseitig eingespannten Biegeträgern aus OSS-SMC, SMC und Stahl aufgeführt. Bei gleichen Trägerab­ messungen und Durchbiegungen zeigen die unterschiedlichen Mas­ sen eindeutig das Leichtbaupotential von OSS-SMC. Gegenüber ei­ nem herkömmlichen SMC ist OSS-SMC hier um 34% und im Vergleich mit Stahl um 56% leichter.
Um die Tauglichkeit des Werkstoffsystems und des Verfahrens für Fahrzeugbauteile zu ermitteln, wurde ein Demonstrationsbauteil realisiert, das alle fahrzeugspezifischen Anforderungen in der Bauteilerprobung erfüllen muss. Nach der Betrachtung verschie­ dener Nutzfahrzeugbauteile, z. B. Dach, Boden, Rückwand und Tür, wurde eine Vorbauklappe eines Lkws der schweren Klasse umge­ setzt.
Entgegen der bisherigen Konstruktion, die aus einer Profilun­ terstruktur aus Stahlblech mit einer SMC-Beplankung besteht, kommt die OSS-SMC Ausführung ohne Tragstruktur aus und bietet damit Kosten- und Gewichtsvorteile. Die Anbauteile wie Schar­ niere, Gasdruckfedern, Schlossfallen und Kühlergrill werden di­ rekt an der OSS-SMC-Vorbauklappe befestigt. Dieses Bauteil stellt also eine gute industrielle Umsetzung der Grundtechnolo­ gie des OSS-SMCs dar.
Der direkte Vergleich mit einem gängigen Bauteil zeigt das hohe Innovationspotential von OSS-SMC-Sandwichbauteilen bezüglich Leichtbau und Kosteneinsparung auf. Auch unter Recyclingge­ sichtspunkten kann OSS-SMC sowohl als Monosystem als auch durch Einsatz von SMC-Recyclat überzeugen. Somit bietet das erfin­ dungsgemäße Verfahren gute Voraussetzungen für die industrielle Herstellung leichter und steifer Karosseriebauteile.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit einer Deckschicht und einer Schaum aufweisenden Kernschicht, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Verfahrensschritte,
die Deckschicht und weitere Ausgangsmaterialien werden ge­ schichtet in ein Formwerkzeug eingebracht,
das Formwerkzeug wird geschlossen,
die Ausgangsmaterialien werden während einer Vorpresszeit mit­ einander verpresst,
die Ausgangsmaterialien werden während der Vorpresszeit er­ wärmt,
während der Vorpresszeit wird ein Treibmittel insbesondere thermisch aktiviert,
mit dem Treibmittel und mindestens einem Ausgangsmaterial wird ein Schaum gebildet,
nach der Vorpresszeit wird das Formwerkzeug bis zu dem Endwert der Schichtdicke des Sandwichbauteiles in Formendstellung zu­ rückgefahren,
beim Zurückfahren wird das freiwerdende Volumen mit sich bil­ denden und/oder ausdehnendem Schaum gefüllt und eine Kern­ schicht ausgebildet,
in der Formendstellung werden alle vernetzbaren Ausgangsmateri­ alien abschließend vernetzt und
nach der abschließenden Vernetzung aller vernetzbaren Ausgangs­ materialien wird das Formwerkzeug geöffnet und das OSS-SMC- Sandwich entnommen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Formwerkzeug als Erstes und als Letztes jeweils eine das spätere Sandwichbauteil außenseitig zumindest bereichsweise begrenzende Deckschicht und/oder deren Ausgangsstoffe eingelegt wird, und daß zuerst geschäumt und anschließend die Deckschich­ ten und/oder deren Ausgangsstoffe vernetzt und/oder gehärtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Aktivierung des Treibmittels eine Vernetzung wenigstens eines der Ausgangsmaterialien zumindest eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Formwerkzeug eine Deckschicht und/oder deren Aus­ gangsstoffe eingebracht werden, daß vor dem Schäumen die Här­ tung der Deckschicht und/oder die Vernetzung der Ausgangsstoffe der Deckschicht eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß für die Vorpresszeit (tVP), die Reaktionszeit der Deck­ schicht (tRDS), die Schäumzeit (tSch), die Reaktionszeit der Kernschicht (tRKS) und die Zeit bis zu Beginn des Schäumens ist (tBS) nachfolgende Zeitrelation gewählt wird:
tVP ≦ tRDS + tSch ≦ tRKS + tRDS ≦ tBS.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kernschicht neben Schaum auch Fasern, und/oder weitere Lagen eingebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel Alkohol verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Treibmittel in Mikrokapseln beigegeben wird.
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Inventor name: HERMANN, ANDREAS, DR., 40668 MEERBUSCH, DE

Inventor name: REIMER, UWE, DIPL.-ING., 89173 LONSEE, DE

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