DE102009043377A1 - Verbundbauteil aus PU-Sandwichmaterialien mit Dekoroberfläche - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (01) mit PU-Sandwichmaterialien mit dekorativer Oberfläche, enthaltend eine Schichtfolge mit einer dekorativen Deckschicht (02) auf der Oberseite des Verbundbauteils, einer ersten faserverstärkten Polyurethan-Schicht (03) hoher Festigkeit, einer Zwischenschicht (04) aus einem Kunststoffschaum geringer Festigkeit und einer zweiten faserverstärkten Polyurethan-Schicht (05) hoher Festigkeit, wobei die Deckschicht (02) fest mit der ersten Polyurethan-Schicht (03) verbunden ist, wobei der Kunststoffschaum der Zwischenschicht (04) ein Raumgewicht zwischen 60 g/dm3 und 150 g/dm3 sowie bei einer Druckprüfung im Dehnungsbereich von 20% bis 50% eine Druckspannung von mehr als 400 kPa aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil aus Polyurethan-Sandwichmaterialien mit einer Dekor-Deckschicht, die eine dekorative Oberfläche bildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung entsprechenden Bauteils.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Aufbauten für Verbundbauteile bekannt, die wiederum primär aus PU-Sandwichmaterialien bestehen. Der gängige Aufbau besteht aus einer glasfaserverstärkten Polyurethan-Schicht, in Folge einer Papierwabe als Zwischenschicht, sowie einer weiteren glasfaserverstärkten Polyurethan-Schicht. Diese Schichtfolge besitzt eine sehr hohe Festigkeit bei sehr geringem Gewicht. Im Automobilbau werden derartige Verbundbauteile insbesondere im Bereich der Innenverkleidung eingesetzt. Hierzu ist es erforderlich, auf der glasfaserverstärkten Polyurethan-Schicht die entsprechende Dekoroberfläche aufzubringen. Dies sind vorwiegend Teppiche aus Kunststoffmaterialien mit einem sehr kurzem Teppichflor sowie Kunstlederbezüge. Ebenso werden derartige Verbundbauteile für Außenverkleidungsteile eingesetzt, wobei die Dekoroberfläche durch eine Kunststofffolie oder durch eine Aluminiumfolie gebildet wird.
  • Derartige Materialien werden im Stand der Technik grundsätzlich in einem nachfolgenden Arbeitsgang auf die tragenden Verbundschichten aufgebracht, indem diese in der Regel aufgeklebt werden. Diese Herstellungsweise resultiert in vergleichsweise hohe Produktionskosten, als dass zwei Prozessschritte erforderlich sind, wobei sich insbesondere das Aufkleben des Dekorbezuges aufwendig gestaltet.
  • Versuche, einen derartigen Verbundaufbau mit einer weichen dekorativen Deckschicht in einem einstufigen Prozess herzustellen, sind bisher immer gescheitert. Zu diesem Zwecke wurde das aus dem Stand der Technik übliche Verfahren eingesetzt. Hierbei wird zunächst die Deckschicht als weicher dekorativer Bezug mit der Dekorseite zur Werkzeugoberfläche weisend in ein Werkzeug auf die Werkzeugunterseite eingelegt. Gleichermaßen ist es selbstverständlich auch möglich, die Deckschicht in eine Werkzeugoberseite einzulegen. Hierbei sichert ein angelegter Unterdruck den sicheren Halt im geöffneten Werkzeug. In einem folgenden Schritt wird eine Glasfaserschicht auf die Deckschicht aufgelegt. Diese wird nun im üblichen Verfahren mit der Polyurethan-Zubereitung eingesprüht. Folgend wird als standardmäßig eingesetzte Zwischenschicht eine Papierwabe aufgelegt. Auf dieser Zwischenschicht wird wiederum ein weiteres Glasfasergewebe aufgelegt, das, wie zuvor, mit einer Polyurethan-Zubereitung eingesprüht wird. Nach Schließen des Werkzeuges und dem Aushärten des Polyurethans unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur kann das Bauteil entnommen werden. Jedoch zeigt sich in nicht zufrieden stellender Weise, dass die Oberfläche der Deckschicht Abdrücke der inneren Papierwabe aufweist. Dieses wird in keinem Falle akzeptiert. Insofern ist ein derartig hergestelltes Bauteil im Automobilbau nicht handelsfähig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verbundbauteil aus PU-Sandwichmaterialien bereitzustellen, welches auf einer Seite eine dekorative Oberfläche in Form einer insbesondere weichen Deckschicht aufweist und dabei kostengünstig herstellbar ist, ohne hierbei die Folgeprobleme des zuvor genannten Herstellungsverfahrens zu besitzen.
  • Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung jenes Verbundbauteils anzugeben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, ein Verbundbauteil aus Polyurethan-Sandwichmaterialien einzusetzen, welches aus einer faserverstärkten Polyurethan-Schicht besteht, einer Kunststoffschaum-Zwischenschicht sowie einer weiteren faserverstärkten Polyurethan-Schicht, auf der abschließend die gewünschte Deckfläche mit dekorativer Oberfläche aufgebracht ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau und das erfindungsgemäße Verfahren in einem Arbeitsgang entfällt die ansonsten notwendige Aufklebung des Dekorbezuges. Somit wird der geforderte Einsparungseffekt erzielt.
  • Die Verwendung einer Papierwabe als Zwischenschicht scheidet zur Verwendung aus, da nicht die notwendige Qualität erreicht werden kann. In allen gängigen Bauteilausführungen, z. B. als Schiebehimmel für ein Fahrzeug, bei denen Bereiche geringer Stärke des Verbundbauteils vorhanden sind, war zuvor der Einsatz eines Kunststoffschaums als Zwischenschicht nicht verwendbar.
  • Sofern die Eigenschaft des Materials derart beschaffen ist, dass einer aufgebrachten Kraft ein eher hoher Widerstand entgegengesetzt wird und bei Belastung eine vorwiegend elastische Verformung erfolgt, führt dies zu dem folgenden Effekt: Bei Schließen des Werkzeuges wird der eingelegte Schaum in den Bereichen mit geringerer Bauteilstärke zusammengepresst. Nach dem Aushärten des Polyurethans wird das Verbundbauteil entnommen, wobei mit Öffnen des Werkzeuges in den Bereichen geringerer Bauteilstärke die elastische Verformung des zwischen liegenden Kunststoffschaums die Schichtfolge „aufsprengt”. D. h. die beiden umgebenden glasfaserverstärkten Polyurethan-Schichten werden wieder auseinander gedrückt und behalten nicht die gewünschte lokal reduzierte Bauteilstärke. Aufgrund der Steifigkeit der glasfaserverstärkten Polyurethan-Schichten reist somit das gesamte Bauteil großflächig im Inneren auseinander.
  • Somit ist eigentlich ein Material zu wählen, dass nur eine geringe elastische Verformung aufweist. Da dies auch mit einem geringen Widerstand verbunden ist, führt dieses zu einem weiteren nicht akzeptablem Problem: Bereits beim Schließen des Werkzeuges wird durch den Druck des gesamten Pakets aus lockeren Glasfaser-Schichten und der Polyurethan-Zubereitung die innen liegende Kunststoffschaum-Zwischenschicht zusammengepresst. Das Quellen des Polyurethans beim Aushärten führt zu einer weiteren Verpressung des Kunststoffschaums. Im Ergebnis wird der Kunststoffschaum über die gesamte Bauteilerstreckung zu einer flachen Schicht verpresst und wird dabei von zwei eher lockeren Schichten aus Glasfasern und Polyurethan umgeben. Somit ist der eigentliche Zweck des Verbundbauteils verloren, mittels zweier hochfester, durch eine trennende Zwischenschicht beabstandete Schichten eine sehr hohe Biegesteifigkeit zu erzielen.
  • Jedoch konnte durch gezielte Auswertung der Kraft-Verformungskurven und Durchführung von teilweise widersprüchlichen Versuchen das nicht zu erwartende Ergebnis gewonnen werden, dass mit der speziellen Ausführung des Kunststoffschaums beide zuvor benannten negativen Effekte verhindert werden können. Zu diesem Zwecke muss der Kunststoffschaum eine Dichte zwischen 60 g/dm3 und 150 g/dm3 besitzen und bei einer Materialprüfung entsprechend DIN EN ISO 3386-2 über einen Dehnungsbereich von 20% bis 50% eine Druckspannung von mehr als 400 kPa aufweisen. Verbesserte Bauteil- und Fertigungseigenschaften werden erreicht, wenn die Materialeigenschaften vorzugsweise zwischen dem Dehnungsbereich von 10% bis 60% eine Druckspannung von mehr als 500 kPa und weniger als 1200 kPa, insbesondere weniger als 1000 kPa, aufweisen.
  • Die vorteilhafte Materialwahl lässt sich ebenso charakterisieren durch die geringe Rückfederung nach dem Herstellungsprozess. Geprüft werden kann diese Materialeigenschaft des Kunststoffschaums durch einen Druckversuch, bei dem der Prüfkörper auf 40% seiner ursprünglichen Materialstärke, d. h. ausgehend vom Zustand vor einem Druckversuch, zusammen gepresst wird. Nachfolgend wird der Prüfkörper entspannt und die Rückfederung des Schaumkörpers führt zu einer Materialstärke nach der Prüfung von weniger als 50% der ursprünglichen Materialstärke.
  • Bei der Herstellung des Verbundbauteils ist es prozesstechnisch vorteilhaft, wenn sich der Kunststoffschaum als Zwischenschicht über das gesamte Bauteil erstreckt. Da in der Regel im Umfangsbereich lokal das Material auf eine minimale Höhe zusammengepresst wird, wird folglich der Kunststoffschaum ebenso verpresst. Gleiches gilt in Funktionsbereichen, an denen der Bauraum nicht ausreicht und im Verbundbauteil eine entsprechende Delle oder dergleichen eingebracht werden muss.
  • Zur Erzielung der erforderlichen Eigenschaften des Kunststoffschaums sowie zur besseren Entsorgung des Verbundbauteils ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoffschaum aus einem Polyurethanschaum besteht. Insbesondere ist es angebracht, hierbei einen offenzelligen Schaum zu verwenden.
  • Die Festigkeit in den faserverstärkten Polyurethan-Schichten und somit des tragenden Schichtaufbaus wird maßgeblich durch die Fasern bzw. Glasfasern bestimmt. Entsprechend ist vorteilhafter Weise anzustreben, dass der Anteil in den Schichten möglichst hoch gewählt wird.
  • Bei im Wesentlichen flächigen Bauteilen kommt diese Ausführungsart besonders zum Vorteil, wobei in diesem Fall Bautenstärken des Verbunds zwischen 5 und 25 mm dem Verwendungszweck angemessen und vorteilhaft sind.
  • Entsprechend der Anwendung bei Fahrzeugen ist die Deckschicht in Form eines Teppichs ausgebildet oder besitzt die Eigenschaften einer Kunstlederfolie. In beiden Fällen bildet die Deckschicht einen Bezug, der als dünne weiche Schicht die Oberfläche des Verbundbauteils erzeugt, jedoch ohne die tragende Struktur keine Formsteifigkeit besitzt.
  • Ebenso kann das erfindungsgemäße Bauteil für ein Außenteil verwendet werden. Hierbei ist es möglich, eine dünne, in sich selbst nicht stabile Folie aus Kunststoff oder Aluminium mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Verbundbauteil hoher Biegesteifigkeit mit sehr geringem Gewicht herzustellen. In diesem Falle ist es im Besonderen vorteilhaft, dass die Dekoroberfläche der Folie beim Bauteil trotz der Zwischenschicht eine perfekte glatte Oberfläche besitzt.
  • Bevorzugt finden derartige Verbundbauteile ihre Verwendung als Teil einer Fahrzeuginnenverkleidung, wie z. B. als Schiebehimmel oder auch als Seitenverkleidung.
  • Erfindungsgemäß wird ein neues Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils eingesetzt. Hierfür wird zunächst in das geöffnete Werkzeug die zuvor hergestellte Deckschicht in Form eines Bezuges eingelegt. Im Folgenden entspricht die weitere Vorgehensweise vom Grundkonzept der bekannten Herstellungsweise, jedoch wird in diesem Fall das Fasergewebe, insbesondere das Glasfasergewebe, neben dem Werkzeug aufgespannt und dort bereits mit der Polyurethan-Zubereitung eingesprüht. Diese durchdrängt das Glasfasergewebe und verteilt sich darin flächig. Entsprechendes erstes Polyurethan getränktes Glasfasergewebe wird in das Werkzeug auf die darin befindliche Deckschicht aufgelegt. Als weiterer Schritt wird, wie auch im gängigen Verfahren, die Zwischenschicht auf die polyurethangetränkte Glasfaserschicht aufgelegt. Dieses ist jedoch erfindungsgemäß keine Papierwabe, sondern der Kunststoffschaum mit den speziellen im Anspruch benannten Eigenschaften. Im Folgenden wiederholt sich der Schritt mit Aufspannen eines zweiten Fasergewebes bzw. Glasfasergewebes und Besprühen mit entsprechender Polyurethan-Zubereitung. Gleichermaßen durchtränkt das Polyurethan das Glasfasergewebe wiederum vollständig. Entsprechendes Glasfasergewebe wird nun wiederum in das Werkzeug auf den Kunststoffschaum aufgelegt. Wie im üblichen Verfahren folgt nun das Schließen des Werkzeugs mit der Aushärtung des Polyurethans bei erhöhtem Druck sowie einer erhöhten Temperatur. Im Ergebnis wird somit das erfindungsgemäße Verbundbauteil hergestellt, wobei eine gewünschte weiche Dekoroberfläche vorhanden ist, die keinerlei Abdrücke der inneren Schichten aufweist. Durch den einstufigen Prozess wird hiermit die geforderte Kosteneinsparung erreicht.
  • Ausgehend vom vorteilhaften Herstellungsverfahren ist es ebenso möglich, die zwei faserverstärkten Lagen nicht sequenziell nacheinander mit der Polyurethan-Zubereitung einzusprühen, sondern vielmehr gleichzeitig, wobei die Reihenfolge des Einbringens in das Werkzeug unverändert bleibt.
  • Zum Start des Prozesses ist die Deckschicht ein dekorativer weicher Bezug. Die Deckschicht kann bei entsprechender Wahl des Ausgangsmaterials und bei entsprechender Prozesstechnik auch in der unteren Werkzeughälfte direkt erzeugt werden. Zu diesem Zwecke wird die Deckschicht als so genannte „Slushhaut” im Sprühverfahren hergestellt. Hierbei die Werkzeugform, welche die geforderte Kunstlederoptik besitzt, mit dem Material eingesprüht, welches sich umgehend verfestigt und im Ergebnis den geforderten weichen Bezug bildet.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch einen Schnitt durch einen halben Schiebehimmel;
  • 2 schematisch einen Detail-Schnitt im Bereich einer reduzierten Stärke des Verbundbauteils;
  • 3 schematisch den Prozess zur Herstellung des Verbundbauteils;
  • 4 ein Diagramm mit einer Prüfung eines Kunststoffschaums.
  • 1 soll nur skizzieren, in welchem Bereich eines Verbundbauteils 01 sich der beispielhafte, skizzierte Detail-Schnitt befindet, wobei die dargestellte Gestalt der Form eines halben Dachhimmels entnommen ist. Diese Bauteilform ist nur beispielhaft gewählt, als insofern ein erfindungsgemäßes Bauteil bevorzugt für einen Schiebehimmel zum Einsatz kommen kann.
  • Die 2 skizziert schematisch die Schichtfolge des erfindungsgemäßen Verbundbauteils 01. Auf der Unterseite eines Dachhimmels zum Fahrgastinnenraum befindet sich die Deckschicht 02 als weicher Dekorbezug. Diesem gefolgt liegt die erste glasfaserverstärkte Polyurethan-Schicht 03. Der Zwischenschicht aus einem Kunststoffschaum 04 folgt abschließend die zweite glasfaserverstärkte Polyurethan-Schicht 05.
  • In 3 ist skizzenhaft der Prozess dargestellt. Im ersten Schritt wird die Deckschicht 02 in Form eines weichen nicht formbeständigen Bezuges in das Werkzeug 10 eingelegt. Im Folgenden wird auf der ersten aufgespannten Glasfasermatte 08a die Polyurethan-Zubereitung 07a aufgetragen. Entsprechend vorbereitet wird die Polyurethan getränkte erste Glasfasermatte 08a auf die Deckschicht 02 in das Werkzeug 10 aufgelegt. Im Folgenden wird der Kunststoffschaum 04 als Zwischenschicht aufgelegt und abschließend die zweite Polyurethan getränkte Glasfaserschicht 05, welche wiederum zuvor durch Aufspannen der zweiten Glasfasermatte 08b und Aufsprühen der Polyurethan-Zubereitung 07b erzeugt wurde. Durch Schließen des Werkzeugs 10 mit Aufpressen des Werkzeugoberteils und Aufbringen einer erhöhten Temperatur wird das Polyurethan 07a, 07b ausgehärtet.
  • In 4 ist ein Druckspannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt. Dieses zeigt eine beispielhafte Prüfung eines Kunststoffschaums zur Verwendung als Zwischenschicht gemäß DIN EN ISO 3386-2. Zu Beginn der Verformung bzw. Pressung des Schaums steigt der Druck näherungsweise kontinuierlich an. Ist ein erster Grenzwert überschritten führt eine weitere Stauchung des Materials zunächst zu keinem nennenswerten Anstieg oder Abfall der Druckspannung. Im weiteren Verlauf zum Ende der minimalen Prüfhöhe steigt die Druckspannung wiederum stark an.
  • Wie zu erkennen ist, durchläuft die Prüfkurve das Prüffeld 12. Materialien, welche bei der Druckprüfung dieses Prüffeld 12 durchlaufen, sind insbesondere geeignet, als Zwischenschicht verwendet zu werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN ISO 3386-2 [0011]
    • DIN EN ISO 3386-2 [0031]

Claims (12)

  1. Verbundbauteil (01) mit PU-Sandwichmaterialien mit dekorativer Oberfläche enthaltend eine Schichtfolge mit einer dekorativen Deckschicht (02) auf der Oberseite des Verbundbauteils, einer ersten faserverstärkten Polyurethan-Schicht (03) hoher Festigkeit, einer Zwischenschicht (04) aus einem Kunststoffschaum geringer Festigkeit und einer zweiten faserverstärkten Polyurethan-Schicht (05) hoher Festigkeit dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (02) fest mit der ersten Polyurethan-Schicht (03) verbunden ist, wobei der Kunststoffschaum der Zwischenschicht (04) ein Raumgewicht zwischen 60 g/dm3 und 150 g/dm3 sowie bei einer Druckprüfung im Dehnungsbereich von 20% bis 50% eine Druckspannung von mehr als 400 kPa aufweist.
  2. Verbundbauteil (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum der Zwischenschicht bei einer Druckprüfung im Dehnungsbereich von 20% bis 50%, insbesondere von 10% bis 60%, eine Druckspannung von mehr als 500 kPa und weniger als 1200 kPa, insbesondere weniger als 1000 kPa, aufweist.
  3. Verbundbauteil (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kunststoffschaum der Zwischenschicht nach einer Pressung auf 40% der ursprünglichen Materialstärke nach der Entlastung die Materialstärke weniger als 50% der ursprünglichen Materialstärke beträgt.
  4. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (04) im Randbereich und/oder in Funktionsbereichen auf eine geringe Höhe bleibend verpresst ist.
  5. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (04) aus einem Polyurethanschaum ist.
  6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in den faserverstärkten Polyurethan-Schichten (03, 05) Glasfasern sind.
  7. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Verbundbauteils (01) zwischen 5 mm und 25 mm liegt.
  8. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (02) eine weiche, in sich selbst instabile Schicht, insbesondere ein Kunststoff-Teppich oder eine Kunstlederfolie oder eine Kunststofffolie, ist.
  9. Verbundbauteil (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil (01) Teil einer Fahrzeuginnen- und/oder Außenverkleidung, insbesondere ein Schiebehimmel, ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundteiles (01) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung in folgenden Prozessschritten erfolgt: a) Einlegen einer weichen Deckschicht (02) in ein Werkzeug (10); b) Aufspannen eines ersten Glasfasergewebes (08a) neben dem Werkzeug (10); c) Einsprühen des ersten Glasfasergewebes (08a) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07a); d) Einlegen des Polyurethan getränkten ersten Glasfasergewebes in das Werkzeug (10) auf die weiche Deckschicht (02); e) Einlegen einer Zwischenschicht (04) aus Kunststoffschaum in das Werkzeug (10) auf das erste Polyurethan getränkte Glasfasergewebe; f) Aufspannen eines zweiten Glasfasergewebes (08b); g) Einsprühen des zweiten Glasfasergewebes (08b) mit einer Polyurethan-Zubereitung (07b); h) Einlegen des Polyurethan getränkten zweiten Glasfasergewebes in das Werkzeug (10) auf die Zwischenschicht (04); i) Schließen des Werkzeuges (10); j) Aushärtung des Polyurethans (07a, 07b) bei erhöhtem Druck und/oder Temperatur; k) Entnahme des fertigen Verbundteiles (01) aus dem Werkzeug (10).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte f) und g) parallel zu b) und c) durchgeführt werden können.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Deckschicht (02) im Werkzeug (10) selber in Form einer Sprühhaut erzeugt wird, indem im Schritt a) durch Aufsprühen einer flüssigen Kunststoffmasse in das Werkzeug mit anschließendem Erstarren und/oder Aushärten der Kunststoffmasse in der offenen Werkzeugform eine bezugartige weiche Deckschicht (02) erzeugt wird.
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