DE102007046226A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtblechs - Google Patents

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Peter Dipl.-Ing. Klauke
Oliver Dipl.-Kfm. Kleinschmidt
Christoph Dr. Filthaut
Ingo Dr. Rogner
Oliver Dipl.-Ing. Thöle
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ThyssenKrupp Steel AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, aufweisend mindestens ein erstes und ein zweites Metallblech mit mindestens einer zwischen dem ersten und dnem Polymer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Verbundbauteils sowie dessen Verwendung. Die Aufgabe, ein in Bezug auf sein Gewicht optimiertes Verbundbauteil vorzuschlagen, welches gleichzeitig einfacher herstellbar ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Polymerschicht mindestens eine Polymerschaumschicht (4) aus einem thermoplastischen Polymer aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil aufweisend mindestens ein erstes und ein zweites Metallblech mit mindestens einer zwischen dem ersten und dem zweiten Metallblech angeordneten Schicht aus einem Polymer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Verbundbauteil sowie dessen Verwendung.
  • Im Kraftfahrzeugbau werden in hohem Maße Leichtbauteile verwendet, welche neben einem geringen Gewicht zusätzlich hohe Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen müssen. Häufig dienen entsprechende Leichtbauteile, beispielsweise bei einer Kraftfahrzeugkarosserie, auch als Außenhautteile, so dass deren Oberflächen entsprechend hohen Anforderungen genügen müssen. Ein Ansatz zur Erreichung dieses Ziels ist, unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu kombinieren. So sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 10 2004 022 677 A1 Verbundbauteile bekannt, welche als eine Sandwichstruktur aus zwei äußeren Metallblechen und einer inneren Polymerschicht bestehen, wobei die Polymerschicht als Schaumstoff ausgebildet ist. Allerdings muss zur Verbindung der Metallteile mit der Polymerschicht ein Klebstoff oder Haftvermittler sorgfältig aufgetragen werden.
  • Darüber hinaus ist aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP 1 504 892 A1 bekannt, zwischen zwei Metallbleche eine Polymerschicht bestehend aus einem Polyamid oder einem Polyamid-Polyethylenblend vorzusehen.
  • Dieses Verbundbauteil ist jedoch bezüglich seines Gewichts verbesserungsfähig.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein in Bezug auf sein Gewicht optimiertes Verbundbauteil vorzuschlagen, welches gleichzeitig einfacher herstellbar ist.
  • Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung für ein gattungsgemäßes Verbundbauteil dadurch gelöst, dass die Polymerschicht mindestens eine Polymerschaumschicht aus einem thermoplastischen Polymer aufweist.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer Polymerschaumschicht deutlich zur Gewichtsreduzierung eines Verbundbauteils bei gleichbleibender Festigkeit und Steifigkeit beitragen kann. Darüber hinaus kann durch die Verwendung thermoplastischer Polymere auf den Einsatz eines Klebstoffs als Haftvermittler verzichtet werden, da eine Anbindung an das Metallbauteil durch eine Erwärmung und Abkühlen des thermoplastischen Polymers erzielt werden kann.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils besteht die Polymerschaumschicht aus einem temperaturbeständigen, thermoplastischen Polymer. Temperaturfeste, thermoplastische Polymere im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Polymere, welche bei einer Erwärmung auf 210°C für eine kurze Zeit und bei einer Erwärmung auf 190°C für mindestens 20 min. keinen Formverlust zeigen. Das Verbundbauteil ist damit geeignet, insbesondere nachfolgende Lackierschritte mit anschließendem Aushärten der Lackschicht schadlos zu überstehen.
  • Enthält die Polymerschaumschicht ein Polyamid oder ein Polyamidblend, können die Materialkosten für die Polymerschaumschicht gering gehalten werden. Darüber hinaus ist Polyamid sowie ein entsprechendes Polyamidblend temperaturbeständig. Ein bevorzugtes Polymerblend ist beispielsweise ein Polyamid-Polyethylenblend.
  • Eine besonders kostengünstige Polymerschaumschicht kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass die Polymerschaumschicht feinverteilte Gasblasen enthält. Das einbringen von Gasblasen in eine Polymerschmelze ist hinreichend bekannt, so dass konventionelle und kostengünstige Herstellverfahren für die Polymerschaumschicht angewendet werden können.
  • Gemäß einem nächsten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbundbauteils beträgt die Schichtdicke der Polymerschicht zwischen 50 µm und 5000 µm, vorzugsweise zwischen 200 µm und 1000 µm. Bei den genannten Schichtdicken ist einerseits die notwendige Festigkeit und Steifigkeit des Verbundes gegeben. Andererseits wird eine ausreichende Gewichtsreduzierung im Vergleich zum Vollmaterial erzielt.
  • Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundteils beträgt die Dicke der verwendeten Metallbleche zwischen 0,15 und 3,0 mm. Bevorzugt wird eine Metallblechdicke von 0,2 bis 0,5 mm, insbesondere von 0,2 bis 0,4 mm, verwendet, da in diesem Bereich optimale Verformungseigenschaften beispielsweise im Hinblick auf den Einsatz als Außenhautteil einer Kraftfahrzeugkarosserie des erfindungsgemäßen Verbundbauteils gegeben sind.
  • Um das Verbundbauteil an eine spezifische Anwendung optimal anzupassen, können die Blechdicken für das erste und zweite Metallblech unterschiedlich sein.
  • Ebenfalls anwendungsspezifisch können die Metallbleche aus Legierungen aus Stahl, Aluminium, Magnesium und/oder Titan bestehen. Auch andere Metalle, welche zu Blechen verarbeitbar sind, können bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil verwendet werden. Insbesondere kann auch eine Kombination unterschiedlicher Metalllegierungen oder Metalle verwendet werden.
  • Zur Optimierung der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils ist mindestens ein Metallblech ein- oder zweiseitig beschichtet. Die Beschichtungen können beispielsweise metallisch oder auch organisch sein. Hierzu stehen die unterschiedlichsten Verfahren zur Aufbringung der metallischen Beschichtungen zur Verfügung, beispielsweise elektrolytisches Aufbringen, Schmelztauchen, Walzplattieren oder auch die physikalische Dampfphasenabscheidung bzw. chemische Dampfphasenabscheidung.
  • Vorteilhaft ist es, wenn ein Metallblech mit einem Haftlack oder einer anderen Vorbehandlung vorbehandelt ist. Mittels des Haftlacks werden die Hafteigenschaften der Polymerschaumschicht verbessert. Die Beschichtungen können hierzu beispielsweise in einem Coil-Coating-Verfahren auf das Metallblech aufgebracht werden. Andere Auftragsverfahren stehen selbstverständlich ebenfalls zur Aufbringung organischer Beschichtungen zur Verfügung. Die Verbundhaftung verbessernde Beschichtung des Verbundbauteils ist üblicherweise an der Grenzfläche zur Polymerschaumschicht aufgebracht. Andere Funktionen, beispielsweise dekorative Zwecke, Korrosionsschutzzwecke oder aber auch eine ölfreie Umformung des Verbundbauteils gewährleistende Beschichtungen sind auch möglich. Ein zeitweiliger Korrosionsschutz kann beispielsweise durch Ölen der Metallbleche erreicht werden. Das Öl wird jedoch vor der Herstellung des Verbundbauteils üblicherweise gründlich entfernt.
  • Das erfindungsgemäße. Verbundbauteil kann unmittelbar im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden, wenn dieses nach dessen Herstellung in einem nachgelagerten Umformverfahren zu einer Vorform oder zur Endform umgeformt worden ist.
  • Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils dadurch gelöst, dass ein erstes Metallband von einem ersten Coil und ein zweites Metallband von einem zweiten Coil abgewickelt wird,
    • – auf mindestens ein Metallband eine thermoplastische Polymerschaumschicht aufgebracht wird,
    • – das erste Metallband, die thermoplastische Polymerschaumschicht und das zweite Metallband durch Temperatureinwirkung und Druckausüben miteinander verbunden werden und
    • – das hergestellte, bandförmige Verbundbauteil auf ein Coil aufgewickelt oder zu blechförmigen Verbundbauteilen geschnitten wird.
  • Wie bereits ausgeführt, hat es sich gezeigt, dass die Verwendung einer thermoplastischen Polymerschaumschicht gleichzeitig zu einer deutlichen Verringerung des Gewichts eines Verbundbauteils bestehend aus zwei Metallblechen und einer dazwischenliegenden Polymerschicht führt und gleichzeitig ein Klebstoff als Haftvermittler nicht mehr verwendet werden muss. Dies vereinfacht die Herstellung des Verbundbauteils deutlich.
  • Vereinfacht wird das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils dadurch, dass gemäß einer nächsten Ausführungsform die Polymerschaumschicht als vorextrudierte Folie auf das erste Metallband aufgebracht wird. Die vorextrudierte Folie kann bei der bandförmigen Verarbeitung des Metallbands einfach zur Verfügung gestellt werden und entsprechend mit den Metallbändern durch Druckbeaufschlagung und Erwärmung verbunden werden.
  • Eine weitere Vereinfachung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass die Polymerschaumschicht direkt auf das erste Metallband extrudiert wird, wobei ausgenutzt wird, dass beim Aufextrudieren die Polymerschaumschicht unmittelbar in einem Haftungseigenschaften aufweisenden Zustand vorliegt.
  • Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Metallband vor dem Aufbringen der Polymerschaumschicht über eine Heizstrecke erwärmt.
  • Die Erwärmung führt dazu, dass die thermoplastische Polymerschaumschicht an der Grenze zum Metall in weichem Zustand verbleibt und insofern eine gute Vernetzung bzw. eine gute Haftung zum Metallblech hervorruft.
  • Erfolgt die Ausbildung der Polymerschaumschicht durch mechanisches Einbringen von Gasblasen, beispielsweise mit einem Volumenanteil von 1 bis 80%, insbesondere 5 bis 70%, in die Polymerschmelze, kann unmittelbar auf die Dichte des hergestellten Polymerschaums Einfluss genommen werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft das erste Metallband, die Polymerschaumschicht und das zweite Metallband durch Verwendung einer Doppelbandpresse miteinander zu verbinden, wobei innerhalb der Doppelbandpresse eine geregelte Druck- und Temperaturführung sowie eine Abstandsregelung erfolgt. Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten gegengelagerten Walzen kann über die Doppelbandpresse, über die Temperaturführung sowie über die Druckführung gezielt Einfluss auf die Haftung der Polymerschaumschicht an den Metallbauteilen Einfluss genommen werden und insofern ein verbessertes Verbundbauteil zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere können mit diesem Verfahren gleichmäßigere, vor allem über die gesamte Breite exakt einstellbare Polymerschaumschichtdicken erzielt werden, so dass die damit hergestellten Verbundbauteile sehr gut als Außenhautteile mit höchsten Oberflächeneigenschaften verwendbar sind.
  • Zur optimalen Temperaturführung wird vorzugsweise das zweite Metallband vor dem Verbinden mit der Polymerschaumschicht und dem ersten Metallband erwärmt, so dass in der nachgelagerten Druckbeaufschlagung keine vollständige Erwärmung des zweiten Metallbandes erfolgen muss.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet werden, dass das bandförmige Verbundbauteil vor und/oder nach der Vereinzelung zu blechförmigen Verbundbauteilen umgeformt wird. Dies ergibt eine besonders wirtschaftliche Herstellweise des erfindungsgemäßen Verbundbauteils.
  • Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verbundbauteil vorteilhaft im Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau, Schienenfahrzeugbau oder Bauwesen verwendet. Vorteile ergeben sich nämlich durch das erfindungsgemäße Verbundbauteil überall dort, wo Leichtbaukonzepte zur Gewichtseinsparung zwingen.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verbundbauteil, dessen Herstellverfahren und dessen Verwendung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 12 nachgeordneten Patentansprüche. Andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
  • 1 in einer schematischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils und in
  • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils.
  • Das in 1 dargestellte Verbundbauteil 1 besteht aus einem ersten Metallblech 2, einem zweiten Metallblech 3 sowie einer zwischen beiden Metallblechen angeordneten Polymerschaumschicht 4. Die Polymerschaumschicht 4 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbundbauteils 1 aus einem temperaturfesten Polymerschaum aus einem Polyamid-Polyethylenblend. Durch die Verwendung eines Polymerschaums wird die Masse des Polymers zwischen den Metallblechen deutlich verringert, ohne die Festigkeitseigenschaften deutlich zu verschlechtern. Aufgrund dieser Gewichtseinsparung sind die erfindungsgemäßen Verbundbauteile 1 besonders gut für Leichtbaukonzepte im Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau oder Schienenfahrzeugbau verwendbar. Allerdings ergeben sich aufgrund der Eigenschaften der Verbundbauteile weitere hier nicht genannte Anwendungsgebiete im Leichtbau.
  • In 2 ist nun schematische eine Vorrichtung zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils 1 dargestellt. Über ein erstes Coil 5 wird ein erstes Metallband 6 zur Verfügung gestellt, welches in einer Heizstrecke 7 vorgewärmt wird. Das Metallband 6 kann aus den unterschiedlichsten Metallen bzw. Legierungen bestehen, beispielsweise Stahl, Aluminium, Titan etc.. Bei Stahllegierungen hat das Metallband vorzugsweise eine Dicke von 0,15 bis 0,8 mm, um als Außenhaut im Karosseriebau besonders gut einsetzbar zu sein. Bei der Verwendung von anderen Metallen zur Herstellung des Verbundbauteils können auch andere Dicken der Metallbleche verwendet werden.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Polymerschaumschicht durch einen Extruder 8 unmittelbar auf das erste Metallband 6 extrudiert, wobei der Extruder 8 beispielsweise aus drei Einheiten aufgebaut ist. Die erste Einheit 9 schmilzt das Polymergranulat auf, wohingegen die zweite Einheit 10 vorzugsweise mechanisch Gasblasen, beispielsweise Luftblasen zur Ausbildung des Polymerschaums in die Polymerschmelze einbringt. Schließlich wird die mit Gasblasen versetzte Polymerschmelze über eine Extrudierdüse 11 auf das Metallband 6 extrudiert und bildet dort eine Polymerschaumschicht 4 aus. Das zweite Metallband 12 wird durch Abwickeln von einem Coil 13 zur Verfügung gestellt und vor dem Kontakt mit der Polymerschaumschicht 4 in einer Heizstrecke 14 erwärmt. Die Heizstrecke 14 ist wie die Heizstrecke 7 an das zu erwärmende Metall angepasst. Beispielsweise eignet sich bei der Verwendung von einer Stahllegierung eine induktive Erwärmung des Metallbandes. Es können aber auch andere Verfahren zur Erwärmung des Metallbandes genutzt werden.
  • Der Kontakt zwischen dem zweiten Metallband 12 und der Polymerschaumschicht 4 wird vorzugsweise erst innerhalb der Doppelbandpresse 15 realisiert, so dass durch gezieltes Druckbeaufschlagen in der Doppelbandpresse und Erwärmen einerseits besonders konstante Schichtdicken in Längs- sowie in Querrichtung zum Bandverlauf erzeugt werden. In einer nachfolgenden Abkühlstrecke 16 wird durch kontrolliertes Kühlen der Verbund fixiert.
  • Anschließend kann das bandförmige Verbundbauteil 1 einer Vereinzelung bzw. einer Umformung zur Herstellung eines fertigen Verbundbauteils oder eines Halbzeugs durchgeführt werden. Entsprechende Vorrichtungen sind in der 2 nicht dargestellt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - EP 1504892 A1 [0003]

Claims (20)

  1. Verbundbauteil (1) aufweisend mindestens ein erstes und ein zweites Metallblech (2, 3) mit mindestens einer zwischen dem ersten und dem zweiten Metallblech angeordneten Schicht (4) aus einem Polymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht mindestens eine Polymerschaumschicht (4) aus einem thermoplastischen Polymer aufweist.
  2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschaumschicht (4) aus einem temperaturbeständigen, thermoplastischen Polymer besteht.
  3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschaumschicht (4) ein Polyamid oder ein Polyamidblend enthält.
  4. Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschaumschicht (4) fein verteilte Gasblasen enthält.
  5. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Polymerschaumschicht (4) zwischen 50 µm und 5000 µm, vorzugsweise zwischen 200 µm und 1000 µm beträgt.
  6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der verwendeten Metallbleche (2, 3) zwischen 0,15 und 3,0 mm beträgt.
  7. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechdicken des ersten und des zweiten Metallblechs (2, 3) unterschiedlich sind.
  8. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbleche aus einer Legierung aus Stahl, Aluminium, Magnesium und/oder Titan bestehen.
  9. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallblech (2, 3) ein- oder zweiseitig beschichtet ist.
  10. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallblech (2, 3) mit einem Haftlack oder einer anderen Vorbehandlung vorbehandelt ist.
  11. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachgelagerten Umformverfahren zur Vor und/oder Endform umgeformt ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteil aufweisend mindestens ein erstes und ein zweites Metallblech mit mindestens einer zwischen dem ersten und dem zweiten Metallblech angeordneten Schicht aus einem Polymer, insbesondere eines Verbundbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Metallband von einem ersten Coil und ein zweites Metallband von einem zweiten Coil abgewickelt wird, auf mindestens ein Metallband eine thermoplastische Polymerschaumschicht aufgebracht wird, das erste Metallband, die thermoplastische Polymerschaumschicht und das zweite Metallband durch Temperatureinwirkung und Druckausüben mit einander verbunden werden und das hergestellte, bandförmige Verbundbauteil auf ein Coil aufgewickelt oder zu blechförmigen Verbundbauteilen geschnitten wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschaumschicht als vorextrudierte Folie auf das erste Metallband aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschaumschicht direkt auf das erste Metallband extrudiert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallband vor dem Aufbringen der Polymerschaumschicht über eine Heizstrecke erwärmt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Polymerschaumschicht durch mechanisches Einbringen von Gasblasen in die Polymerschmelze erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallband, die Polymerschaumschicht und das zweite Metallband durch Verwendung einer Doppelbandpresse miteinander verbunden werden, wobei innerhalb der Doppelbandpresse eine geregelte Druck- und Temperaturführung sowie eine Abstandsregelung erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metallband vor dem Verbinden mit der Polymerschaumschicht und dem ersten Metallband erwärmt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Verbundbauteil vor und/oder nach der Vereinzelung zu blechförmigen Verbundbauteilen umgeformt wird.
  20. Verwendung eines Verbundbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 12 bis 19, im Kraftfahrzeug-, Flugzeug-, Schienenfahrzeugbau oder Bauwesen.
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