DE102009035695A1 - Verbundteil aus glasfaserverstärktem Polyurethan mit Metalleinleger - Google Patents

Verbundteil aus glasfaserverstärktem Polyurethan mit Metalleinleger Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Schichten von glasfaserverstärktem Polyurethan mit Metalleinleger mit den Verfahrensschritten:
a) Aufspannen eines ersten Glasfasergewebes außerhalb eines Werkzeuges,
b) Besprühen des ersten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse,
c) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten ersten Glasfasergewebes in das Werkzeug,
d) Einlegen eines Metalleinlegers in das Werkzeug,
e) Aufspannen eines zweiten Glasfasergewebes außerhalb des Werkzeuges,
f) Besprühen des zweiten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse,
g) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten zweiten Glasfasergewebes in das Werkzeug,
h) Schließen des Werkzeuges,
i) Aushärten des Polyurethan bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck,
j) Öffnen des Werkzeuges und Entnahme des fertigen Bauteils, wobei die Schritte e) und f) wahlweise auch parallel zu den Schritten a) und b) erfolgen können.

Description

  • Die Erfindung betrifft den Aufbau und die Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen aus Polyurethan mit einem Metalleinleger zur deren Versteifung.
  • Bekannt sind eine Vielzahl von verschiedenen Verbundbauteilen mit verschiedenartigem Schichtaufbau. Grundsätzliches Ziel ist es, eine hohe Steifigkeit mit einem geringen Gewicht zu verbinden. Hierzu ist es von Vorteil, wenn zwischen zwei vorwiegend dünneren Schichten mit höherer Festigkeit eine dickere Schicht mit geringerer Festigkeit und insbesondere sehr niedrigem Gewicht integriert wird. Durch diesen Aufbau wird insbesondere eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit erreicht. So sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt mit einer Schichtfolge aus einer glasfaserverstärkten Kunststoffschicht einer wabenartigen Papierschicht und wiederum einer glasfaserverstärkten Kunststoffschicht. Grundsätzliche Aufgabe ist es dabei, eine feste Verbindung zwischen den Schichten herzustellen. Um eine hohe Steifigkeit des Bauteils zu erreichen kann zu diesem Zwecke eine kunststoffgetränkte Glasfasermatte für die beiden äußeren Schichten eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Ausgangsmaterial ist Prepreg, die englische Kurzform für preimpregnated fibres. Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, das somit vor allem im Leichtbau Verwendung findet. Die Endlosfasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg wird bahnförmig, auf Rollen gewickelt, geliefert. Die Aushärtung erfolgt unter hohen Temperaturen und unter höherem Druck in einem Autoklaven, welcher jedoch einen hohen Investitionsaufwand erfordert.
  • Sofern der Bauraum begrenzt ist, kann nicht dieser vorteilhafte Schichtaufbau gewählt werden. Um nicht ein in der Herstellung teures Metallbauteil einsetzen zu müssen, wird vielfach angestrebt, ein Kunststoffbauteil einzusetzen. Um wiederum eine hohe Steifigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn zum einen ein hoher Glasfaseranteil eingesetzt und zum zweiten möglichst lange Glasfasern verwendet werden können. Zu diesem Zwecke werden entsprechende Bauteile häufig im SMC-Verfahren hergestellt. Ein Sheet Molding Compound (SMC) bezeichnet teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden. In SMC liegen alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung vor. In der Regel werden Polyester- oder Vinylesterharze verwendet. Die Verstärkungsfasern liegen in Mattenform vor, deren typische Faserlänge beträgt 25–50 mm. Eigenschaften und Bezeichnungen von SMC sind in der DIN EN 14598 geregelt. Die SMC-Matten werden in die eine in das Werkzeug passende Form, in der Regel rechteckig, geschnitten und in einem Werkzeug und Druck in endgültige Form gebracht und mit erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die Herstellung ist deutlich kostengünstiger als die Verwendung von Prepregs, jedoch besitzen diese Bauteile schon aufgrund der geringerer Faserlänge eine geringere Festigkeit.
  • Sofern die Steifigkeit von einem SMC Bauteil nicht ausreicht, jedoch nicht die notwendige Bauhöhe für ein Schichtmodul vorhanden ist, so wird als Lösung häufig bei SMC Bauteilen Metalleinleger verwendet. Da zur Herstellung eines SMC Bauteils eine mit dem nicht ausgehärteten Harz getränkte Glasfasermatte verwendet wird, welche in das Werkzeug eingelegt wird, ist es notwendig, den Metalleinleger auf einer Seite des Werkzeugs vorab einzusetzen. Somit ergibt sich zwangsläufig, dass der Metalleinleger auf einer Seite des fertigen Bauteils zu liegen kommt. Die Forderung den Einleger im Werkzeug zu fixieren ergibt sich u. a. dadurch, dass die Matte eher eine rechteckig Form als Einleger besitzt und erst durch das Schließen des Werkzeuges in die Form des Bauteils gepresst wird. Würde nun der Einleger lose auf die Matte gelegt, wäre dessen Lage in keinster Weise gewährleistet.
  • Verwendung finden derartige Bauteile mit Metalleinleger unter anderem bei Fahrzeugen in einem Dach, z. B. als Dachhimmel, insbesondere, wenn ein Dachfenster vorhanden ist und somit eine umlaufende Versteifung erforderlich wird. Kommen nun vergleichbare bzw. nahezu baugleiche Dachhimmel zum Einsatz, bei denen lediglich die Größe des Dachfensterausschnittes variiert, so wird nach dem Stand der Technik für jede Größe des Dachfensters ein passender Metallrahmen als versteifendes Element hergestellt, was wiederum für jeden Metalleinleger ein Press- und Stanzwerkzeug erforderlich macht.
  • Sofern auf der Oberfläche des Bauteils eine weitere Schicht aufgebracht wird, ist es von Vorteil, wenn die gesamte Oberfläche die gleichen Eigenschaften aufweist. Folglich ist ein offen liegender Metalleinleger von Nachteil. Ebenso erfordert ein offen liegender Metalleinleger einen Korrosionsschutz, der weitgehend entfallen kann, sofern dieser vollständig vom Kunststoff umgeben ist.
  • Bei einer Anwendung als Außenfläche des Fahrzeugs ist es erforderlich, dass die Oberfläche in Wagenfarbe gestaltet ist. Dieses ist in jedem Falle nur durch eine weitere Oberflächenbeschichtung oder zusätzliche Schicht zu realisieren. Zu diesem Zwecke werden auf Bauteilen nach dem Stand der Technik zunächst eine Grundierung aufgebracht, die anschließend lackiert werden kann.
  • Aufgabe ist es daher, ein Material mit geringer Bauhöhe bereitzustellen, welches gleichzeitig eine hohe Steifigkeit aufweist und bei dem es keine Metallflächen auf der Oberfläche gibt. Verwendung findet das Material in einem Dachmodul für ein Fahrzeug, bei dem innerhalb eines großflächigen Bauteils eine Ausnehmung für ein Dachfenster vorhanden ist.
  • Diese Aufgabe wird durch folgende erfinderische Gestaltung und Herstellung gelöst.
  • Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht wird als Ausgangsmaterial ein Kunststoff mit einem hohen Anteil an Glasfasern gewählt. Vergleichbar mit den Prepreg wird eine Glasfasermatte eingesetzt, die jedoch erst bei der Herstellung des Bauteils mit der vorbereiteten Polyurethan-Masse versetzt wird. Zu diesem Zwecke wird außerhalb des Werkzeugs eine Glasfasermatte gehalten, die mittels Sprühköpfe mit der Polyurethan-Masse benetzt wird. Diese Matte wird im folgenden Schritt in das Werkzeug eingelegt. Zur Erzielung der geforderten Steifigkeit ist es nun erforderlich, einen Einleger in Form eines Metallbleches in das Werkzeug einzulegen. Um nun eine sichere Haftung des Einlegers im Kunststoffbauteil, sowie ein vollständiges Einschließen des Metalls zu erreichen, wird im folgenden Schritt eine zweite Glasfasermatte im gleichen Verfahren, mit einer Polyurethan-Masse besprüht und anschließend in der Werkzeug eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeuges erfolgt die Aushärtung der Polyurethan-Masse unter höherem Druck und erhöhter Temperatur.
  • Dies entspricht in erster Annäherung der Fertigung eines SMC-Bauteils, jedoch kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Glasfaseranteil von deutlich über 50% erreicht werden, wobei insbesondere hierbei lange Glasfasern, welche bis annähernd die Ausdehnung des Bauteils heranreichen, verwendet werden. Somit wird eine deutliche Festigkeitssteigerung gegenüber einem SMC Bauteil erreicht.
  • Der Metalleinleger kann in diesem Falle aus einem geformten Stahlblech, als auch aus anderen Metallen, wie z. B. Aluminium oder Magnesium bestehen.
  • Verwendung finden kann ein derart hergestelltes Bauteil vorzugsweise bei einem Fahrzeug, wobei hier die Verwendung als Teil des Daches, z. B. Dachhimmel, besonders vorteilhaft ist. Durch die Technik, den Metalleinleger vollständig zu umschließen, ist dessen Lage relativ zu einem Dachfenster nicht mehr entscheidend. Es ist lediglich erforderlich, den Bereich um einen Dachfensterausschnitt ausreichend zu versteifen. Somit ist es möglich, den gleichen Metalleinleger für verschiedene Größen von Dachfenstern einzusetzen. Dadurch wird ein merklicher Kostenvorteil gegenüber der klassischen Bauart erreicht, insbesondere, wenn kleine Serien verschiedener Dachhimmel hergestellt werden, bei denen durch die Erfindung immer der gleiche Metalleinleger Verwendung finden kann.
  • Der Metalleinleger wird in der Regel durch ein Blech gebildet, welches eben als auch profiliert sein kann. Da dies vorwiegend zur Versteifung eines Dachfensterausschnittes vorgesehen ist, bildet insofern die Versteifung einen Rahmen. Bei der vorteilhaften Verwendung des immer gleichen Rahmens für ähnliche Dachbauteile ist folglich der Abstand von der Innenkante des rahmenartigen Metalleinlegers zur Öffnung abhängig von der Größe der Öffnung. Dieser Abstand wird aber vorzugsweise in keinem Falle zu Null, da ansonsten die vollständige Umschließung des Metalleinleger nicht mehr gewährleistet ist und somit wieder der Korrosionsschutz erforderlich würde.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es erstmalig, das fertige Bauteil mittels eines bei Fahrzeugkarosserien standardmäßig eingesetzten KTL-Beschichtungsverfahren zu behandeln. Die Beschichtung mittels der kathodischen Tauchlackierung (KTL) wird bei Temperaturen von ca. 160°C durchgeführt. Die thermische Belastung wird insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren zulässig. Somit eignet sich das Verfahren insbesondere auch für Bauteile der Außenhaut eines Fahrzeugs.
  • Verschiedene Aspekte der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Verbundbauteil im Schnitt mit einer mittigen Öffnung sowie einem Metalleinleger;
  • 2 eine detaillierte Ansicht vom Schnitt im Bereich des Metalleinlegers;
  • 3 die wesentlichen Verfahrenskomponenten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt sind Anwendung in der Herstellung von Komponenten als Teile von Dachmodulen von Fahrzeugen. In 1 ist beispielhaft ein Schnitt durch einen Dachhimmel (01) skizziert. Dieses im wesentlichen flächige Bauteil ist zu den Rändern entsprechend der Fahrzeuggeometrie abgewinkelt. Mittig ist eine Öffnung (02) für ein Dachfenster vorhanden. Zur Versteifung des gesamten Bauteil um den Ausschnitt herum ist ein Metalleinleger (03) vorhanden. Dieser befindet sich mittig zwischen zwei Schichten aus glasfaserverstärktem Polyurethan (04, 05).
  • In ist der Aufbau der Schichten detaillierter dargestellt. Der Metalleinleger (03) befindet sich wiederum mittig zwischen den Schichten. Zu erkennen ist, dass die Glasfasern der ersten Schicht (06) sich auf der einen Seite des mehrschichtigen Aufbaus in der Fläche erstecken. Gleichsam verhält es sich mit den Glasfasern der zweiten Schicht (07), die entsprechend auf der anderen Seite zum Liegen kommen. Eine Verflechtung der Glasfasern von der ersten mit der zweiten Schicht ist im wesentlichen nicht vorhanden. Die Polyurethan-Matrix, welche die Glasfasern vollständig umgibt und das eigentliche Bauteil bildet, wird durch die Polyurethan-Masse der ersten Schicht (08) sowie durch die Polyurethan-Masse der zweiten Schicht (09) gebildet, ohne dass eine Trennung in die beiden Schichten erkennbar wird. Durch die Aufbringung der Polyurethan-Masse (08, 09) auf beide Glasfaser-Matten (06, 07) ist sichergestellt, dass zum einen das gesamte Bauteil vollständig mit der Polyurethan-Masse gefüllt ist, sowie zum anderen wird hierdurch erst gewährleistet, dass auch der Metalleinleger (03) vollständig eingeschlossen ist. Dies gewährleistet zum einen den geforderten Korrosionsschutz, wozu auch der Abstand von der Innenkante des rahmenartigen Metalleinlegers zur Öffnung in keinem Falle zu Null wird. Des weiteren verbessert die erfindungsgemäße Gestalt die vorteilhafte Haftung des Metalleinlegers (03) an der glasfaserverstärkten Polyurethan-Schicht (04, 05) sowie die problemlose Applizierung einer weiteren Schicht in einem nachfolgenden Verfahren, wie z. B. eine Lackierung oder eine Aufbringung eines Bezuges.
  • In wird skizzenhaft das Verfahren zur Herstellung entsprechender Bauteile dargestellt. Zunächst einmal gibt es ein Werkzeug, bestehend aus zwei Formhälften (10, 11), welches die entsprechende Bauteilform wiedergibt. Außerhalb des Werkzeugs wird nun im ersten Verfahrensschritt die erste Glasfaser-Matte (06) aufgespannt. Hierzu sind verschiedene Vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, auf die nicht weiter eingegangen werden soll. Auf dieser ersten Glasfaser-Matte (06), wobei zu betonen ist, dass es sich um näherungsweise vollständige Glasfasern handelt und nicht nur wenige Millimeter lange Stücke, wie dies beim SMC-Verfahren üblich ist, wird nun über einen Sprühkopf (12) eine vorbereitete Mischung in Form einer Polyurethan-Masse (08) auf die Glasfaser-Matte (06) aufgetragen. Durch die Gewebestruktur der Glasfaser-Matte (06) führt dies zu einem „Aufsaugen” der Polyurethan-Masse, so dass sich die aufgetragene Masse vollständig auf der Matte verteilt, in dieser verbleibt und eine erste Schicht (04) bildet. Diese erste Schicht (04) wird nun in das Werkzeug auf die untere Formhälfte (10) aufgelegt. Im folgenden Schritt wird nun der Metalleinleger (03) auf die erste Schicht (04) aufgelegt. Nun wiederholt sich der Prozess für die zweite Schicht (05), indem wiederum eine Glasfaser-Matte (07) aufgespannt wird. Dort wird ebenso wie bei der ersten Schicht nun die Polyurethan-Masse (09) aufgetragen. Somit entsteht die zweite Schicht (05) aus einer Glasfaser-Matte mit einer Polyurethan-Masse (09). Die zweite Schicht (05) wird nun nach dem Auflegen des Metalleinlegers (03) auf diesen sowie auf die erste Schicht (04) aufgelegt. Je nach Anordnung der Produktionsanlagen ist es natürlich auch möglich die Erstellung der zweiten Schicht (05) mit dem Aufspannen der Glasfaser-Matte (08) sowie mit dem Auftragen der Polyurethan-Masse (09) parallel zur Erstellung der ersten Schicht (04) durchzuführen. Relevant ist in diesem Zusammenhang die Reihenfolge des Einlegens in das Werkzeug. Nachdem die erste Schicht (04), der Metalleinleger (03) sowie die zweite Schicht (05) eingelegt sind, wird das Werkzeug geschlossen, indem die obere Formhälfte (11) auf die untere Formhälfte verbracht wird und dabei mit einem Druck beaufschlagt wird. Hierdurch werden die Schichten (04, 05) weitgehend in ihre endgültige Form gepresst. Hierbei verbinden sich die beiden Polyurethan-Massen (08, 09) untrennbar voneinander. Eine erhöhte Temperatur des Werkzeuges ermöglicht den Aushärtevorgang der Polyurethan-Masse (08, 09). Durch den dabei auftretenden Quellvorgang wird abschließend die endgültige Form erreicht. Nach ausreichender Aushärtung der Polyurethan-Masse (08, 09) kann das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden. Somit entsteht durch das erfindungsgemäße Verfahren ein sehr flaches, hochstabiles und dennoch kostengünstiges Bauteil (01).
  • Insbesondere bei weitgehend gleichen Bauteilen, jedoch mit verschieden großen Öffnungen (02) zeigen sich die Vorteile dieses Herstellungsverfahrens, als das es möglich ist, einen identischen Metalleinleger (03) für die verschiedenen Bauteile zu verwenden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN EN 14598 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zu Herstellung eines Bauteils aus Schichten von glasfaserverstärkten Polyurethan mit Metalleinleger mit den Verfahrensschritten: a) Aufspannen eines ersten Glasfasergewebes außerhalb eines Werkzeuges, b) Besprühen des ersten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, c) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten ersten Glasfasergewebes in das Werkzeug, d) Einlegen eines Metalleinlegers ein das Werkzeug, e) Aufspannen eines zweiten Glasfasergewebes außerhalb des Werkzeuges, f) Besprühen des zweiten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, g) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten zweiten Glasfasergewebes in das Werkzeug, h) Schließen des Werkzeuges, i) Aushärten des Polyurethan bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck, j) Öffnen des Werkzeuges und Entnahme des fertigen Bauteils, wobei die Schritte e) und f) wahlweise auch parallel zu den Schritten a) und b) erfolgen können.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Glasfasern im fertigen Bauteil ohne Betrachtung des Metalleinlegers über 55% beträgt und vorzugsweise über 60% liegt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalleinleger aus einem Stahlblech gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalleinleger die Gestalt eines Rahmens besitzt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fertige Bauteil eine gewölbte Form besitzt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fertige Bauteil eine Stärke von weniger als 5 mm besitzt.
  7. Bauteil hergestellt gemäß eines Verfahren, welches in einer der Ansprüche 1 bis 6 beschrieben ist.
  8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Verwendung in einem Fahrzeugdach bestimmt ist.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauteil eine Öffnung in einer Größe von mehr als 500 cm2 vorhanden ist, wobei die Öffnung von einem rahmenförmigen Metalleinleger umgeben ist, wobei der Rand der Öffnung vom inneren Rand des Metalleinlegers beabstandet ist.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine thermische Stabilität von mindestens 160°C, vorzugsweise von 180°C besitzt und einer nachfolgenden KTL-Beschichtung standhält.
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