DE102009039858A1 - Verbundbauteil als Leichtmetall-Polyurethan-Sandwich - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundteil (01) als Leichtmetall-Polyurethan-Sandwich, bestehend aus einem festem Verbund verschiedenartiger Schichten, enthaltend in der Reihenfolge des Zusammenbaus eine Deckschicht (02) aus Leichtmetall, eine erste Polyurethan-Schicht (03), eine Zwischenschicht (04) aus einem Material geringer Dichte und eine zweite Polyurethan-Schicht (05), wobei auf der zweiten Seite des Verbundbauteils als Abschluss eine zur ersten Seite im Weentlichen gleiche Deckschicht (06) aus Leichtmetall angebracht ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles (01).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, welches als Leichtmetall-Polyurethan-Sandwich ausgeführt ist, wobei dieses aus einer kompakten Anordnung verschiedener Schichten besteht und somit eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erreicht wird.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Schichtfolgen mit verschiedenstartigem Aufbau bekannt. Insbesondere im Automobilbau besteht die Forderung nach tragenden Schichten, welche zum einen sehr leicht sein sollen, aber dennoch eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen müssen. Darüber hinausgehend wird im Außenbereich die Lackierbarkeit gefordert. Zur Lösung sind aus dem Stand der Technik Schichtfolgen bekannt, bei welchen ein Verbundbauteil, bestehend aus einem Polyurethan-Sandwich, verbunden wird mit einer Deckschicht, welche die entsprechende Lackierbarkeit aufweist. Zur Herstellung wird in der Regel zunächst das Polyurethan-Sandwich hergestellt und im Folgenden die nachfolgende Leichtmetallschicht auf dieses Polyurethan-Sandwich aufgeklebt. Der Kleber hat darüber hinaus eine weitere Funktion, insofern die Schichten aus Leichtmetall im Gegensatz zum Polyurethan-Sandwich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Somit ist es erforderlich, dass bei Wärmedehnung die Schichten gegeneinander gleiten können. Sollte ein fester Verbund gegeben sein, würde dieses bei einer Wärmewechselbelastung entweder zu einem Ablösen und Reißen der Schichtfolge oder zu einem Verbiegen des Verbundes aus der Polyurethan-Sandwich-Folge mit dem aufgeklebten Leichtmetall führen. Entsprechend sind aus diesem Grunde immer die Verbundbauteile, welche eine Leichtmetall- bzw. Metalldeckschicht besitzen, über eine Dehnschicht mit einem unterliegenden Verbundbauteil aus einem Polyurethan-Sandwich verbunden. Durch diese Verbundanordnung von einem Polyurethan-Sandwich mit aufgelegter Metallschicht kann zum einen eine hohe Biegesteifigkeit erreicht werden, zum anderen ist auch die Lackierbarkeit problemlos gewährleistet. Jedoch besitzt ein derartiges Verbundbauteil einen Nachteil hinsichtlich der Kosten. Da es erforderlich ist, zunächst ein Polyurethan-Sandwich herzustellen, darauf eine Dehnschicht aufzubringen und wiederum die Leichtmetallschicht zu applizieren, sind sowohl mehrere Prozessschritte als auch eine Vielzahl verschiedenartiger Materialien erforderlich. Somit wird diese Art der Herstellung eines Außenbauteils nur selten angewendet, insofern als es kostenmäßig gleich ist, die Leichtmetalldeckschicht durch weitere Metallschichten und Verstrebungen zu versteifen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verbundbauteil mit einer lackierbaren Metalloberfläche bereitzustellen, welches dennoch kostengünstig hergestellt werden kann und zudem bei geringem Gewicht eine hohe Biegesteifigkeit besitzt.
  • Die entsprechende Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Ausführung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ausführung eines entsprechenden Verbundbauteils wird in Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
  • Den Gedanken aus dem Stand der Technik folgend ist es zunächst einmal erforderlich, eine Leichtmetall-Deckschicht zu besitzen. Eine hohe Biegesteifigkeit kann in bekannter Weise durch eine Polyurethan-Sandwich-Lösung erreicht werden. Insofern ist es eine Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannte Dehnschicht zu entfernen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine zweite Leichtmetallschicht eingesetzt, welche symmetrisch zur Mittellage auf der gegenüberliegenden Seite des Verbundbauteils angeordnet wird. Da die Leichtmetallschicht bereits eine relativ hohe Steifigkeit aufweist, ist es nicht erforderlich, das Polyurethan-Sandwich mittels Glasfaserlagen zu verstärken. Insofern ist im Kern des Verbundbauteils die Anordnung aus einer reinen Polyurethan-Schicht folgend einer Zwischenschicht geringerer Dichte, wie zum Beispiel einer Papierwabe, und wiederum einer Polyurethan-Schicht ausreichend. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass ein fester Verbund zwischen dem Leichtmetall und dem Polyurethan hergestellt wird. Somit wird die geforderte Biegesteifigkeit des Verbundbauteils erreicht. Somit besteht das Verbundbauteil im Ergebnis aus einer Leichtmetallschicht, einer Polyurethan-Schicht, der Zwischenschicht, wiederum einer Polyurethan-Schicht, und abschließend der zweiten Leichtmetallschicht. Diese Schichtfolge ist im Wesentlichen über die gesamte Bauteilerstreckung symmetrisch zur Mitte der Schichtfolge.
  • Es ist erfindungsgemäß vollkommen ausreichend, ausschließlich diese Schichtfolge einzusetzen. Insofern ist es ein kennzeichnendes Merkmal, im Gegensatz zum Stand der Technik, dass keine weiteren Dehnschichten oder Glasfaserschichten vorhanden sind.
  • Vorteilhafterweise werden insbesondere für eine Verwendung im Fahrzeugbau die Metallschichten aus Aluminium gewählt, wobei diese dabei eine Stärke zwischen 0,1 bis 1 mm besitzen.
  • Die Zwischenschicht hat die Aufgabe, einen größeren Abstand zwischen den beiden tragenden Schichten zu erzeugen, insofern ist eine besonders geringe Dichte anzustreben. Diese sollte dabei weniger als 0,1 g/cm3 besitzen. Hierbei wird als kostengünstiges und zweckmäßiges Material vorzugsweise eine Papierwabe ausgewählt.
  • In der vorteilhaften Anwendung als Fahrzeugbauteil ist es erforderlich, dass die Oberfläche sowohl eine hohe Qualität aufweist als auch lackierbar ist. Hierzu besitzt die obere Schicht vorzugsweise auf der Außenseite eine Class-A-Qualität. Als Metallbauteil ist dieses in der Regel in jedem Falle lackierbar.
  • Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteiles erfolgt durch zwei Prozesse, wobei in einem ersten Prozess die obere Metallschicht sowie die untere Metallschicht vorgeformt wird und in einem folgenden Schritt der Verbund hergestellt wird.
  • Die Erstellung des Verbundes im zweiten Prozess folgt der Reihenfolge der Einlegung des ersten Metallbleches in das offene Werkzeug, gefolgt von der Einbringung der inneren Schichten in das Werkzeug, wobei diese in verschiedenen Reihenfolgen ausgeführt werden können, und dem Einlegen der zweiten Metallschicht in das Werkzeug auf die zuvor eingebrachten inneren Schichten.
  • Diese inneren Schichten können in folgender Art und Weise hergestellt werden: Zunächst einmal gibt es die Möglichkeit, die Zwischenschicht neben dem Werkzeug aufzuspannen. Diese wird von einer Seite mit der Polyurethan-Zubereitung eingesprüht, welche zunächst einmal an dieser Zwischenschicht haften bleibt. Je nach Anordnung der Prozesseinrichtung wird ggf. die Zwischenschicht gewendet, um im Folgenden die zweite Seite der Zwischenschicht mit der Polyurethan-Zubereitung einzusprühen. Die so beidseitig mit Polyurethan besprühte Zwischenschicht wird als innere Schicht in das Werkzeug auf die erste Deckschicht aufgelegt. Alternativ kann das Einsprühen aber auch im Werkzeug erfolgen. Hierbei wird die bereits im Werkzeug eingelegte erste Metallschicht mit der Polyurethan-Zubereitung eingesprüht. Hierauf wird die entsprechende Zwischenschicht aufgelegt. Im Folgenden wird auf der im Werkzeug einliegenden Zwischenschicht die zweite Polyurethan-Zubereitung aufgesprüht. Als Drittes bestünde noch die Möglichkeit der Kombination der beiden vorgenannten Verfahren, indem gleichzeitig oder aufeinander folgend das im Werkzeug eingelegte Metallblech mit der Polyurethan-Zubereitung eingesprüht wird und neben dem Werkzeug die aufgespannte Zwischenschicht mit ebenfalls einer Polyurethan-Zubereitung eingesprüht wird, die im Folgenden auf die im Werkzeug einliegende und eingesprühte erste Metallschicht aufgelegt wird.
  • Im zweiten Prozessschritt beim Herstellen des Polyurethan-Verbundes können Werkzeuge geringer Festigkeit verwendet werden. Insofern ist es mit diesen nicht möglich, ein Metallblech umzuformen. Daher ist es erforderlich, im ersten Prozess die zwei Leichtmetallschichten im Wesentlichen zuvor in ihre endgültige Gestalt zu formen.
  • Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass das Werkzeug zur Polyurethan-Schichterzeugung derart ausgeführt wird, dass dieses geeignet ist, die Metallschichten zumindest bereichsweise zu verformen. In diesem Falle wäre es nur erforderlich, die zwei Leichtmetalldeckschichten vorzuformen, um die endgültige Gestalt im zweiten Prozessschritt zu erzeugen.
  • Folgende Figuren skizzieren Aufbau und Prozess zur Herstellung.
  • Es zeigen:
  • 1: die Schichtfolge des erfindungsgemäßen Verbundbauteils;
  • 2: die Prozessreihenfolge zur Herstellung des entsprechenden Verbundbauteils.
  • In 1 ist schematisch die Schichtfolge des erfindungsgemäßen Verbundbauteils 01 dargestellt. Diese besteht aus der oberen Deckschicht 02 aus Leichtmetall, der darunter befindlichen Polyurethan-Schicht 03, der Zwischenschicht 04, der zweiten Polyurethan-Schicht 05 sowie abschließend der zweiten Deckschicht 06 aus Leichtmetall.
  • In 2 ist beispielhaft das Herstellungsverfahren für den zweiten Prozess skizziert. In die geöffnete Werkzeugform 10 wird zunächst einmal die erste Deckschicht 02 aus Leichtmetall eingelegt. Hierauf folgend wird die Zwischenschicht 04, welche beidseitig mit Polyurethan-Zubereitung 07 eingesprüht wird, aufgelegt. Nachfolgend wird die zweite Deckschicht 06 aus Leichtmetall aufgelegt. Dem Schließen des Werkzeuges folgt die Aushärtung des Polyurethans 07 und erzeugt mit Abschluss das fertige Verbundbauteil 01, welches dem Werkzeug 10 entnommen werden kann.

Claims (15)

  1. Verbundbauteil (01) als Leichtmetall-Polyurethan-Sandwich, bestehend aus einem festem Verbund verschiedenartiger Schichten, enthaltend in der Reihenfolge des Zusammenbaus eine Deckschicht (02) aus Leichtmetall, eine erste Polyurethan-Schicht (03), eine Zwischenschicht (04) aus einem Material geringer Dichte und eine zweite Polyurethan-Schicht (05), dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Seite des Verbundbauteils als Abschluss eine zur ersten Seite im Wesentlichen gleiche Deckschicht (06) aus Leichtmetall angebracht ist.
  2. Verbundbauteil (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil (01) ausschließlich aus der Schichtfolge einer ersten Deckschicht (02) aus Leichtmetall, einer ersten Polyurethan-Schicht (03), einer Zwischenschicht (04) aus einem Material geringer Dichte, einer zweiten Polyurethan-Schicht (05) und einer zweiten Deckschicht (06) aus Leichtmetall besteht.
  3. Verbundbauteil (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau im Wesentlichen symmetrisch zur Mitte des Schichtaufbaus, d. h. zur Mitte der Zwischenlage (04), ist.
  4. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (02, 06) aus Aluminium bestehen.
  5. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (02, 06) eine Stärke zwischen 0,2 mm bis 1 mm besitzen.
  6. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (04) eine Dichte von weniger als 0,1 g/cm3 besitzt.
  7. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (04) aus einer Papierwabe gebildet ist.
  8. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (02) an der Außenseite des Verbundbauteils eine Oberfläche mit einer Class-A-Qualität besitzt.
  9. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (02) an der Außenseite des Verbundbauteils (01) eine lackierbare Oberfläche besitzt.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles (01) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung in folgenden Prozessschritten erfolgt: (Aa) Prägen einer ersten Deckschicht (02) durch Verformen eines Leichtmetall-Bleches in die erforderliche Form; (Ab) Prägen einer zweiten Deckschicht (06) durch Verformen eines Leichtmetall-Bleches in die erforderliche Form; (Ba) Einlegen der ersten Deckschicht (02) in ein Werkzeug (10); (Bb) Einbringung von inneren Schichten, enthaltend eine Polyurethan-Zubereitung (07), in das Werkzeug (10); (Bc) Einlegen der zweiten Deckschicht (06) in das Werkzeug (10) auf die inneren Schichten; (Bd) Schließen des Werkzeuges (10); (Be) Aushärtung des Polyurethans (07) bei erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur; (Bf) Entnahme des fertigen Verbundteiles (01) aus dem Werkzeug (10).
  11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundteiles (01) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang (Bb) aus den folgenden Prozessschritten besteht: (Bb1) Halten der Zwischenschicht (04) neben dem Werkzeug (10); (Bb2) Einsprühen der ersten Seite der Zwischenschicht (04) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07); (Bb3) gegebenenfalls Wenden der Zwischenschicht (04), Einsprühen der zweiten Seite der Zwischenschicht (04) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07); (Bb4) Einlegen der Zwischenschicht (04) in das Werkzeug (10) auf die erste Deckschicht (02).
  12. Verfahren (01) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang (Bb) aus den folgenden Prozessschritten besteht: (BbI) Einsprühen der im Werkzeug (10) eingelegten Deckschicht (02) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07); (BbII) Einlegen der Zwischenschicht (04) in das Werkzeug (10) auf die erste Deckschicht (02); (BbIII) Einsprühen der im Werkzeug (10) eingelegten Zwischenschicht (04) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07).
  13. Verfahren (01) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang (Bb) aus den folgenden Prozessschritten besteht: (Bba) Einsprühen der im Werkzeug (10) eingelegten Deckschicht (02) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07); (Bbb) Aufspannen der Zwischenschicht (04) neben dem Werkzeug (10); (Bbc) Einsprühen der Zwischenschicht (04) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07); (Bbd) Einlegen der Zwischenschicht (04) in das Werkzeug (10) auf die erste Deckschicht (02).
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozess (A) die zwei Deckschichten (02, 06) im Wesentlichen in die endgültige Gestalt geformt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozess (A) die zwei Deckschichten (02, 06) nicht in die endgültige Gestalt geformt werden, wobei die endgültige Form durch den Prozessschritt des Schließen des Werkzeuges (10) (Bg) bzw. (Cf) erzeugt wird.
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