DE10137028A1

DE10137028A1 - Mehrschichtige Verbundmaterialien mit organischen Zwischenschichten und deren Verwendung für Sicherheitseinrichtungen im Fahrzeugbau

Info

Publication number: DE10137028A1
Application number: DE10137028A
Authority: DE
Inventors: Karl Wesch; Mathias Jaehnichen; Rainer Wieland
Original assignee: Henkel Teroson GmbH
Current assignee: Henkel Teroson GmbH
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Mehrschichtige Laminate aus zwei äußeren flächigen Substraten auf der Basis von Metallblechen und/oder textilen Flächengebilden und mindestens zwei dazwischen liegenden Schichten von organischen Bindemittelsystemen, wobei die eine Bindemittelschicht einen niedrigen E-Modul und die zweite Bindemittelschicht einen hohen E-Modul aufweist, eignen sich zur Herstellung von Bauteilen mit einer hohen Energieaufnahme bei dynamischer Punktbelastung der Fläche des Laminates. In bevorzugter Weise eignen sich diese mehrschichtigen Laminate zur Herstellung von Sicherheitseinrichtungen zum Fußgängeraufprallschutz am Vorderwagen von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft mehrschichtige Verbundmaterialien (Laminate) aus zwei äußeren flächigen Substraten (1) und (2) und mindestens zwei dazwischen liegenden Schichten von organischen Bindemittelsystemen sowie deren Verwendung zur Herstellung von Sicherheitseinrichtungen im Fahrzeugbau.
Ein allgemein bekannter Aufbau eines Vorderwagens eines Kraftfahrzeugs umfaßt als wesentliche Bestandteile tragende Wandaufbauteile und eine Fronthaube, die im allgemeinen den Motorraum abdeckt, wobei die tragenden Wandaufbauteile zumindest teilweise die geschlossene Fronthaube randseitig umgeben.
Im Fall einer Kollision des Kraftfahrzeugs mit Fußgängern wird seit langem versucht, das Risiko der schwerwiegenden Verletzung der Fußgänger weiter zu reduzieren. Dazu werden beispielsweise die Stoßfänger im Frontbereich in ihren mechanischen Eigenschaften optimiert, um die Fußgänger besser zu schützen. So beschreibt die EP-A-1 046 546 einen Stoßfänger bestehend aus einer Deckschicht und einem darunter optional angeordneten Absorber, wobei die Steifigkeit des unteren Teils des Stoßfängers höher ist als die Steifigkeit des oberen Teils des Stoßfängers. Dazu wird vorgeschlagen, die oberen Zweidrittel, bezogen auf die Höhe des Stoßfängers, mit einem Schaum geringer Steifigkeit zu füllen und das untere Drittel mit einem Schaum hoher Steifigkeit. Im Fall einer Kollision mit einem Fußgänger ist die Aufprallenergie dadurch auf den unteren Teil des Stoßfängers konzentriert und der Schaumteil geringer Steifigkeit hilft, die Aufschlagenergie abzuleiten und zu verteilen.
Die EP-A-1 004 497 beschreibt den Vorderteil einer Karosserie eines Fahrzeugs, die den Schutz der Fußgänger im Fall eines Aufpralls sicherstellen soll. Dazu wird vorgeschlagen, die Fronthaube aus einem Stahlblechrahmen aufzubauen, der in seinem zentralen Teil offen ist. In diese zentrale Öffnung ist ein Stahlblech eingeschweißt. Die Vorder-, Rück- und Seitenteile des Rahmens der Fronthaube sind so geformt, daß sie im Fall einer Kollision mit einem Fußgänger deformiert werden oder bersten.
Die WO 00/30904 beschreibt eine Sicherheitseinrichtung als Fußgängeraufpraflschutz am Vorderwagen eines Kraftfahrzeuges. Dabei wird vorgeschlagen, die Randteile in ihrem oberen Randkantenbereich so auszubilden, daß sie bei einem Fußgängeraufprall als energieabsorbierende Deformationselemente wirken. Diese Randteile, die einen oberen Randkantenbereich des Vorderwagens bilden, sind als bei einem Fußgängeraufprall energieabsorbierende Deformationselemente auf die den Haubenfrontrand und die Haubenseitenränder umgebenden Wandaufbauteile aufgesetzt und damit verbunden. Vorzugsweise sollen diese Randteile langgestreckte Randbegrenzungselemente mit bestimmten, angepaßt deformierbarem Querschnitt sein, die sich entlang des Haubenfrontrandes und der Haubenseitenränder der geschlossenen Fronthaube erstrecken und mit den Außenhautflächen der Randteile flächenbündig sowie an benachbarten Seitenaufbauteilen angrenzen. In dieser Schrift wird darauf hingewiesen, daß es aus der DE-A-30 17 052 bekannt ist, mit den Seitenwandbereichen der Haube nachgiebige Wülste aus Gummi oder Kunststoff zu verbinden, die bei geschlossener Fronthaube die Fugen zum sich jeweils anschließenden Kotflügel überdecken. Es wird jedoch ausgeführt, daß solche auf die Seitenränder einer Fronthaube aufgesetzten und mit bewegbaren Wülste aufwendig herzustellen sind und optisch wenig ansprechend sind.
Es ist weiterhin bekannt, die Fronthaube selbst in ihrem mittleren potentiellen Aufschlagbereich deformierbar auszuführen, wobei dann die erforderliche Steifigkeit der Fronthaube im wesentlichen durch steife Randbegrenzungen erreicht wird.
Weiterhin sind im Stand der Technik mechanische und elektronisch/mechanische Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die mit Hilfe von Sensoren im Fall einer Kollision mit einem Fußgänger die Fronthaube aus ihrer Ruheposition in die sogenannte Aufschlagposition anhebt, wodurch das Potential für einen Aufschlag des Kopfes des Fußgängers auf die Windschutzscheibe reduziert wird (US-A- 4,249,632).
Die WO 00/46775 beschreibt ein Kollisions-Vermeidungssystem, das unter anderem Fußgänger erfaßt und den Fahrer informiert, was zur Vermeidung einer Kollision getan werden muß.
Die WO 99/49236 beschreibt eine Vorrichtung zum Absorbieren der Aufprallenergie durch viskose Dämpfung.
Die WO 01/34438 beschreibt eine Vorrichtung zum Schutz von Fußgängern bei einem Aufprall mit einem Fahrzeug, die ein oder mehrere Sensoren vorsieht, die den Aufprall signalisieren und eine Aufprallschutzvorrichtung aktivieren, wobei als Aufprallvorrichtung ein Airbag vorgeschlagen wird. Eine ähnliche Vorrichtung wird in der WO 97/18108 sowie in der US-A-5,646,613 vorgeschlagen.
Angesichts dieses Standes der Technik haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, effizientere und kostengünstig zu produzierende, verläßlich wirkende Mittel und Vorrichtungen zur Energieabsorption bzw. zum Nachgeben beim Aufprall von Körperteilen auf Fahrzeuge bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist den Ansprüchen zu entnehmen; sie besteht im wesentlichen in der Bereitstellung von mehrschichtigen Laminaten herstellbar aus zwei äußeren flächigen Substraten (1) und (4) und mindestens zwei dazwischen liegenden Schichten von organischen Bindemittelsystemen, wobei mindestens eine Bindemittelschicht einen niedrigen E-Modul und die zweite Bindemittelschicht einen hohen E-Modul aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung derartiger mehrschichtiger Laminate zur Herstellung von Bauteilen, die zur Energieabsorption bzw. zum Nachgeben beim Aufprall von Körperteilen auf das Substrat (1) geeignet sind. Dabei soll ein Durchschlagen durch das Substrat (4) verhindert werden.
Insbesondere eignen sich derartige Bauteile zur Herstellung von Sicherheitseinrichtungen zum Fußgängeraufprallschutz am Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs wie z. B. zur Herstellung von Fronthauben (Motorraumhauben) und/oder Seitenaufbauteilen sowie anderen Karosserieaußenbereichen, Türen, Klappen und Dächern von Kraftfahrzeugen.
Die erfindungsgemäßen Laminate eignen sich jedoch auch zur Herstellung von Aufschlag-dämpfenden Wandelementen im Flugzeugbau, beispielsweise um im Bereich der Kabine Aufbauteile zu gestalten, die die Aufprallenergie eines menschlichen Kopfes im Fall einer Kollision dämpfen.
Die flächigen Substrate (1) und (4) sind in der Regel Bleche aus Stahl, Aluminium, Edelstahl oder Magnesium, wobei diese Bleche gegebenenfalls vorbehandelt sein können. Weiterhin können die Substrate dünne Kunststoffplatten sein oder textile Flächengebilde in Form von Geweben oder Gewirken aus Polyester, Polyamid, Glasfaser oder Kohlefaser. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das flächige Substrat (4) durch ein Gewebe oder Gewirke oder ein Vlies aus Polyesterfasern, Polyamidfasern, Glasfasern oder Kohlefasern gebildet, das direkt mit der Schicht des hochmoduligen Bindemittels verbunden ist.
Das niedermodulige Bindemittelsystem kann dabei dauerplastisch, auch in kompakter Form, sein, oder weichelastisch vernetzbar, vorzugsweise ist es ein Weichschaum auf der Basis von Polyurethanen, Polysiloxanen, Silan-modifizierten Polymeren (wie z. B. den MS-Polymeren der Firma Kanegafuchi), oder weichelastischen Kautschuken. Die Herstellung von Weichschäumen auf Basis ein- oder zweikomponentiger Polyurethane, Polysiloxane, MS-Polymeren oder Kautschuken ist an sich bekannt.
Schwachvernetzte niedermodulige Bindemittel haben typischerweise Zugscherfestigkeiten (DIN EN 1465) von 0,2 bis 1,2 MPa, Zugfestigkeiten (nach DIN 53504) von 0,4 bis 0,9 MPa und eine Bruchdehnung (DIN 53405) von etwa 70%, wobei diese Werte erreicht werden, wenn die Bindemittelsysteme für 30 Minuten bei 180 °C ausgehärtet wurden.
Das hochmodulige Bindemittel ist vorzugsweise ein in der Wärme aushärtbarer Hartschaum auf der Basis von schäumbaren, spezifisch leichten Epoxidharzsystemen, harten Polyurethanschäumen oder auch auf der Basis von ungesättigten Polyestern. Geeignete Zusammensetzungen für derartige harte, spezifisch leichte Strukturschäume auf Basis von Epoxiden oder Polyestern werden in der WO 98/21060 auf Seite 11 beschrieben, die ausdrücklich Bestandteil dieser Erfindung sind. Weitere geeignete hochmodulige Bindemittel werden in der WO 00/52086 auf Seite 5 bis 11 beschrieben, die ebenfalls ausdrücklich Bestandteile dieser Erfindung sind.
Typischerweise weisen die hochmoduligen Bindemittel (nach Aufschäumung) einen Young-Modul von 600 bis 900 MPa, eine Kompressionsfestigkeit oberhalb 10 MPa und eine Zugscherfestigkeit von etwa 5 MPa auf.
Das niedermodulige Bindemittelsystem und das hochmodulige Bindemittelsystem stehen zueinander in folgenden Eigenschaftsverhältnissen:
Der Young-Modul des niedermoduligen Bindemittels ist viel kleiner als der des hochmoduligen Bindemittelsystems, Zugscherfestigkeit und Kompressionsfestigkeit des niedermoduligen Bindemittels ist sehr viel kleiner als das des hochmoduligen Bindemittels, wobei die Bruchdehnung des niedermoduligen Bindemittels sehr viel größer ist als die des hochmoduligen Bindemittels.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Laminate zur Herstellung von Bauteilen im Kraftfahrzeugbau erfolgt die Schaumausbildung und Aushärtung der Bindemittel im Lackierprozeß im Lackofen, üblicherweise wird dabei Haftung der Bindemittelschicht auf den flächigen Substraten erzielt, für die Wirksamkeit der Anwendung zur Energieabsorption ist die Ausbildung der Haftung jedoch nicht zwingend notwendig.
Es ist auch möglich, aus vorgefertigten hoch- und niedermoduligen Schaumfertigteilen und flächigen Substraten mehrschichtige Laminate mit ähnlichen Anbindungseigenschaften herzustellen.
Das Laminat kann dabei auf verschiedene Weisen hergestellt werden, ein mögliches und bevorzugtes Verfahren beinhaltet die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte

a) Auftragen der niedermoduligen Bindemittelschicht auf das flächige Substrat (1)
b) Auftragen der hochmoduligen Bindemittelschicht auf die niedermodulige Bindemittelschicht
c) Fügen des flächigen Substrates (4) auf die hochmodulige Bindemittelschicht
d) Herstellen des Bauteils aus dem Laminat durch Umformen und/oder Stanzen
e) Härten der Bindemittelschichten, wobei diese gegebenenfalls aufschäumen

Prinzipiell kann auch in anderer Reihenfolge vorgegangen werden: Auftragen der hochmoduligen Bindemittelschicht auf das flächige Substrat (4), gefolgt vom Auftragen der niedermoduligen Bindemittelschicht auf die hochmodulige Bindemittelschicht, gefolgt vom Fügen des flächigen Substrates (1) auf die niedermodulige Bindemittelschicht. Hieran kann sich dann die Herstellung des Bauteils aus dem Laminat durch Umformen und/oder Stanzen anschließen. Auch bei dieser Ausführungsvariante erfolgt vorzugsweise das Härten und gegebenenfalls Aufschäumen der Bindemittelschichten nach dem Umformen und/oder Stanzen in einem der Lackieröfen der Fertigungsstraße bei der Automobilfertigung.
In der beigefügten Zeichnung wird das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Laminats bei seiner Verwendung für Sicherheitseinrichtungen im Kraftfahrzeugbau in prinzipieller Form dargestellt. In der Zeichnung sind alle Darstellungen Schnittansichten durch das erfindungsgemäße mehrschichtige Laminat. Es zeigen
Fig. 1 ein vierschichtiges Laminat nach dem Fügen der Schichten;
Fig. 2 das vierschichtige Laminat nach dem Aushärten und Aufschäumen der organischen Bindemittelschichten;
Fig. 3 das mehrschichtige Laminat nach einer dynamischen Punktbelastung;
Fig. 4 dasselbe Laminat nach weiterer dynamischer Punktbelastung.
Fig. 1 zeigt das vierschichtige Laminat bestehend aus dem flächigen Substrat (1), das ein dünnes Blech von etwa 0,3 bis 0,8 mm aus Stahlblech, Aluminiumblech, Edelstahlblech, Magnesiumblech oder auch eine Kunststoffplatte sein kann. Dabei ist sowohl die niedermodulige Bindemittelschicht (2) als auch die hochmodulige Bindemittelschicht (3) im nicht ausgehärteten und nicht aufgeschäumten Zustand unmittelbar nach dem Fügen des Laminats dargestellt. Das flächige Substrat (4) kann dabei ebenfalls eines der vorgenannten Bleche, eine Kunststoffplatte oder auch in bevorzugten Ausführungsformen ein oben beschriebenes textiles Flächengebilde sein.
Fig. 2 zeigt dasselbe Laminat, nachdem die organischen Bindemittelschichten durch die Wärme des Fertigungsprozesses des Kraftfahrzeugs (vorzugsweise ein Lacktrockenofen) ausgehärtet und aufgeschäumt sind. Prinzipiell können die Schicht des niedermolekularen Weichschaums (12) und die Schicht des hochmoduligen Hartschaums (13) gleiche Dicken haben, sie können jedoch auch unterschiedliche Dicken haben.
Fig. 3 zeigt dasselbe Laminat, nachdem bei (5) eine dynamische Punktbelastung der Substratfläche erfolgt ist. Die Energieaufnahme dieser dynamischen Punktbelastung erfolgt durch die Deformation des niedermoduligen Weichschaums (22) und des flächigen Substrates (1). Die Schicht des hochmoduligen Hartschaums (23) sowie des flächigen Substrats (4) sind in ihrer Form und Dimension in diesem Stadium unverändert geblieben.
Fig. 4 zeigt das gleiche vierschichtige Laminat nach weiterer dynamischer Punktbelastung an dem Punkt (6). Die Energieaufnahme dieser Belastung führt zu einer weiteren Deformation des flächigen Substrates (1) sowie der Weichschaumschicht (32). Durch die hohe Kompressionsfestigkeit und den hohen Young-Modul des Hartschaums (33) wird dieser auch bei weiterer Belastung nur geringfügig deformiert, so daß das flächige Substrat (4) ebenfalls nur geringfügig deformiert wird.
Durch die hohe Fähigkeit zur Energieabsorption bzw. zum Nachgeben beim Aufprall von Körperteilen auf das flächige Substrat (1) wird es verhindert, daß das untere flächige Substrat (4) nach unten durchschlägt, dies hat zur Folge, daß das Gesamtsystem sich nur geringfügig durchbiegt und es im Fall einer Motorhaube nicht zum Durchschlagen des Systems auf den Motorblock kommt.

Claims

1. Mehrschichtiges Laminat herstellbar aus zwei äußeren flächigen Substraten (1) und (4) und mindestens zwei dazwischen liegenden Schichten von organischen Bindemittelsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Bindemittelschicht einen niedrigen E-Modul und die zweite Bindemittelschicht einen hohen E-Modul aufweist.

2. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen Substrate (1) und (4) ausgewählt werden aus Stahlblech, Aluminiumblech, Edelstahlblech, Magnesiumblech, Kunststoffplatten oder textilen Flächengebilden.

3. Laminat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die niedermodulige Bindemittelschicht zu einem Weichschaum aufschäumbar ist.

4. Laminat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die niedermodulige Bindemittelschicht ein dauerplastisches Bindemittel oder ein weichelastisch vernetztes Bindemittel ggf. in ungeschäumter, kompakter Form umfaßt.

5. Laminat nach mindetens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochmodulige Bindemittelschicht durch einen Hartschaum auf Basis eines schäumbaren Epoxy-Bindemittels oder Polyurethan- Bindemittels gebildet wird.

6. Verwendung des mehrschichtigen Laminats nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung von Bauteilen mit einer hohen Energieaufnahme bei dynamischer Punktbelastung der Fläche des Laminats.

7. Verwendung nach Anspruch 6 als Sicherheitseinrichtung zum Fußgängeraufprallschutz am Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Fronthauben und/oder Seitenaufbauteilen sowie Karosserieaußenbereiche, Türen, Klappen, Dächer eines Kraftfahrzeugs.

9. Verfahren zur Herstellung eines Laminats nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet durch die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte

a) Auftragen der niedermoduligen Bindemittelschicht auf das flächige Substrat (1)

b) Auftragen der hochmoduligen Bindemittelschicht auf die niedermodulige Bindemittefschicht

c) Fügen des flächigen Substrates (4) auf die hochmodulige Bindemittelschicht

d) Herstellung des Bauteils aus dem Laminat durch Umformen und/oder Stanzen

e) Härten der Bindemittelschichten, wobei diese gegebenenfalls aufschäumen.