DE102009052038B4

DE102009052038B4 - Flächiges Verbundbauteil, insbesondere Fahrzeugkarosserieteil

Info

Publication number: DE102009052038B4
Application number: DE200910052038
Authority: DE
Inventors: Dirk Legler; Adam Wagner; Frank Kiesewetter; Michael Kölbl; Thomas Peter; Jan Woköck
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: EP2498986A2; CN102596556B; WO2011054681A2; CN102596556A; US20120231244A1; WO2011054681A3; DE102009052038A1; BR112012010668A2; US9327471B2

Abstract

Flächiges Verbundbauteil, insbesondere Fahrzeugkarosserieteil, umfassend einen Materialverbund mit einer Außenschicht (26), einer an die Außenschicht angrenzenden Sperrschicht (24) und einer Trägerstruktur (16), auf der die Sperrschicht angeordnet ist und die einen Kern (18) umfasst, der an der der Sperrschicht (24) zugewandten Seite mit einer ersten Deckschicht (20) und an der der Sperrschicht (24) abgewandten Seite mit einer zweiten Deckschicht (22) versehen ist, wobei die Sperrschicht ein Abbilden von strukturellen Merkmalen der Trägerstruktur (16) auf der Außenschicht (26) verhindert, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (24) und die Trägerstruktur (16) Temperaturausdehnungskoeffizienten haben, die so gewählt sind, dass eine Deformation des Materialverbunds bei einer Temperaturänderung in einem Bereich zwischen –50°C und +80°C zumindest weitgehend unterbleibt, und dass die Sperrschicht (24) einen Schichtaufbau hat, dessen einzelne Schichten teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein flächiges Verbundbauteil, insbesondere ein Fahrzeugkarosserieteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verbundbauteil ist in Form eines Fahrzeugdaches aus der Praxis bekannt und umfasst einen Materialverbund, der eine Außenschicht, die beispielsweise aus einer Kunststofffolie aus ABS oder dergleichen gebildet ist, und eine Trägerstruktur aufweist. Zwischen der Außenschicht und der Trägerstruktur ist eine Sperrschicht angeordnet, die ein Abbilden von strukturellen Merkmalen der Trägerstruktur auf der Außenschicht verhindert. Die Trägerstruktur hat einen Kern aus einer Papierwabe, der an der der Sperrschicht zugewandten Seite mit einer ersten Deckschicht aus einem Polyurethan/Glasfaser-Gemisch und an seiner der Sperrschicht abgewandten Seite mit einer zweiten Deckschicht aus einem Polyurethan/Glasfaser-Gemisch versehen ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verbundbauteil besteht das Problem, dass die einzelnen Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dies kann bei einer Temperaturänderung zu einer Verformung des Verbundbauteils führen, die auf das unterschiedliche laterale Ausdehnungsverhalten der einzelnen Schichten des Materialverbundes zurückzuführen ist.
Aus der Druckschrift DE 102 21 581 A1 ist ein Verbundbauteil bekannt, das einen Träger mit einem Distanzhalter, der beidseits von einer Materiallage begrenzt ist, eine Materialschicht und eine Außenhaut umfasst. Die Materialschicht dient dazu, eine laterale Ausdehnung der Außenhaut zu verhindern. Die Materialschicht ist als Glasfasermatte oder Aluminiumschicht ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flächiges Verbundbauteil der einleitend genannten Gattung zu schaffen, bei dem die Gefahr einer Deformation des Materialverbunds aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur minimiert ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, dass die Sperrschicht und die Trägerstruktur Temperaturausdehnungskoeffizienten haben, die so gewählt sind, dass eine Deformation des Materialverbunds bei einer Temperaturänderung in einem Bereich zwischen –50°C und +80°C zumindest weitgehend unterbleibt. Die Sperrschicht hat einen Schichtaufbau, dessen einzelne Schichten teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind. Eine derartige aus mehreren Einzelschichten aufgebaute Schicht wird häufig auch als Multi-Tec-Schicht bezeichnet.
Bei dem Verbundbauteil nach der Erfindung sind also die Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht und Trägerstruktur so aufeinander abgestimmt, dass eine Änderung der Umgebungstemperatur keine unerwünschte Deformation des Verbundbauteils in Form einer Wölbung, eines Verziehens oder dergleichen nach sich zieht. Vielmehr bleibt die Form des Verbundbauteils über den beanspruchten Temperaturbereich im Wesentlichen erhalten. Damit ist mit einer Temperaturänderung auch keine das Design oder die Funktion des Verbundbauteils beeinträchtigende Verformung verbunden.
Das Verbundbauteil nach der Erfindung kann insbesondere als Fahrzeug-Karosserieteil ausgebildet sein und in diesem Zusammenhang grundsätzlich für alle äußeren und inneren plattenförmigen Strukturen von Fahrzeugkarosserien geeignet sein, die als Verbundbauteil ausgeführt sein können. Beispielsweise ist das flächige Verbundbauteil nach der Erfindung ein vorgefertigtes Dachmodul, das in einen korrespondierend ausgebildeten Dachrahmen einer Fahrzeugkarosserie einsetzbar ist. Das Karosserieteil kann aber auch eine bewegte Fläche sein, die in Verbindung mit einem Schiebedach oder bei einem Verdeck eines Cabriolet-Fahrzeugs eingesetzt wird. Grundsätzlich ist das Verbundbauteil nach der Erfindung aber nicht auf Anwendungen im Automobilbereich beschränkt. Vielmehr ist deren Einsatz in sämtlichen Bereichen denkbar, in denen flächige Elemente in Leichtbauweise Anwendung finden können.
Die Außenschicht des Verbundbauteils nach der Erfindung ist insbesondere nach dem so genannten In-Mould-Coating-Verfahren aus einem Beschichtungswerkstoff hergestellt, der mit der Entkopplungsschicht chemisch gekoppelt ist. Die Außenschicht kann mithin einen so genannten IMC(In-Mould-Coating)-Lack darstellen, der bei der Herstellung des Verbundbauteils in einen Formhohlraum eines Formwerkzeugs auf eine den Formhohlraum begrenzende Fläche aufgesprüht wird. Anschließend wird auf den aufgesprühten Beschichtungswerkstoff der Werkstoff der Sperrschicht aufgetragen. Beim Verpressen des Verbundbauteils in der Form härten die Werkstoffe aus und gehen eine Verbindung miteinander ein.
Das In-Mould-Coating ist also ein Verfahren, bei dem die Lackierung eines Kunststoff-Formteils bereits in dem zur Herstellung des Formteils eingesetzten Werkzeug durchgeführt wird. Hierzu wird ein hochreaktiver Zwei-Komponenten-Lack mittels einer speziellen Technik in die Form eingebracht. Danach wird die an die Lackierung angrenzende Materiallage eingebracht. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit einer fertigen Oberfläche, die je nach Formbeschaffenheit hochglänzend bis matt und auch strukturiert sein kann. Die nach dem IMC-Verfahren hergestellte Außenschicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 und 100 μm. Im Bedarfsfall kann diese Außenschicht auch noch lackiert werden.
Denkbar ist es aber auch, die Außenschicht als Außenhaut auszubilden, die aus einer Kunststofffolie aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), ASA-PC (Acrylester-Styrol-Acrylnitril-Polycarbonat), ASA (Acrylester-Styrol-Acrylnitril) oder PC (Polycarbonat) besteht.
Die Trägerstruktur des Verbundbauteils nach der Erfindung hat vorzugsweise einen Kern, der eine aus Papier, Metall oder Kunststoff bestehende Wabenstruktur darstellt, welche beidseits mit einer Deckschicht aus einem Glasfaser/Polyurethan-Gemisch versehen ist, die eine Versteifungsschicht darstellen kann. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Kern der Trägerstruktur aus einem Kunststoffschaumwerkstoff hergestellt ist.
Die Sperrschicht des flächigen Verbundbauteils nach der Erfindung besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verbundbauteils nach der Erfindung aus einem Polyurethan/Glasfaser-Gemisch, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient durch den Anteil an Fasern in dem Gemisch eingestellt werden kann.
Je nach Schichtaufbau und je nach den an das Verbundbauteil gestellten Anforderungen kann der Temperaturausdehnungskoeffizient der Trägerstruktur größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht sein. Die entsprechende Einstellung der Temperaturausdehnungskoeffizienten kann insbesondere auch von dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Außenschicht abhängen.
Eine Abstimmung des Temperaturausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur kann durch entsprechende Auswahl der Temperaturausdehnungskoeffizienten der ersten Deckschicht und der zweiten Deckschicht erfolgen.
So kann der Temperaturausdehnungskoeffizient der ersten Deckschicht, d. h. der der Sperrschicht zugewandten Deckschicht der Trägerstruktur, gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht oder größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht sein. Entsprechend kann der Temperaturausdehnungskoeffizient der zweiten Deckschicht, d. h. der der Sperrschicht abgewandten Deckschicht der Trägerstruktur, gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht oder größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht sein.
Wie oben bereits erwähnt, sind die Deckschichten jeweils vorzugsweise aus einem Polyurethan/Glasfaser-Gemisch gefertigt. Der jeweilige Temperaturausdehnungskoeffizient ist dann durch den Faseranteil in der betreffenden Deckschicht einstellbar. In der Regel nimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient mit abnehmendem Faseranteil zu. Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform des flächigen Verbundbauteils nach der Erfindung ist eine Gegenzugschicht vorgesehen, die an die zweite Deckschicht, d. h. an die der Sperrschicht abgewandte Deckschicht der Trägerstruktur grenzt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gegenzugschicht, die das thermische Verhalten des Verbundbauteils begünstigt, kann demjenigen der Sperrschicht entsprechen.
Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Gegenzugschicht einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner oder größer als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht ist. Die jeweilige Einstellung des Temperaturausdehnungskoeffizienten hängt von der Wahl der Werkstoffe für die Außenschicht, die Sperrschicht und die Trägerstruktur ab.
Wie auch die Sperrschicht bzw. Entkopplungsschicht kann die Gegenzugschicht einen Schichtaufbau haben, dessen einzelne Schichten teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind.
Der variable Schichtaufbau der damit als Multi-Tec-Schicht ausgelegten Gegenzugschicht kann die Kennwerte des Verbundbauteils insbesondere in mechanischer und thermischer Hinsicht positiv beeinflussen und dadurch gezielt zur Bauteilauslegung eingesetzt werden. Gleiches gilt auch für eine als Multi-Tec-Schicht ausgebildete Sperrschicht.
Durch die gezielte Auswahl der Temperaturausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten des Verbundbauteils kann das Wärmeverhalten der Bauteile maßgeblich gesteuert und optimiert werden. Es lässt sich mithin gezielt ein gewünschtes Verhalten bzw. Verformungsverhalten des Verbundbauteils bei einer Temperaturänderung einstellen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar. Ausführungsbeispiele eines Verbundbauteils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 eine Teilansicht eines Personenkraftwagens mit einem Dachmodul;
2 einen Schnitt durch ein Dachmodul nach der Erfindung; und
3 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Verbundbauteils nach der Erfindung.
In 1 ist ein als Personenkraftwagen ausgebildetes Kraftfahrzeug 10 dargestellt, dessen Karosserie einen Dachrahmen 12 aufweist, in den ein als Verbundbauteil ausgebildetes und vormontiertes Dachmodul 14 einsetzbar ist, das einen Fahrzeuginnenraum überdeckt. Die Verbindung zwischen dem Dachmodul 14 und dem Dachrahmen 12 erfolgt über eine hier nicht näher dargestellte, umlaufende Kleberaupe.
In 2 ist ein Schnitt durch das in 1 dargestellte Dachmodul 14 gezeigt, das mehrlagig aufgebaut ist und vor dem Einsetzen in den Dachrahmen 12 vorgefertigt ist.
Das als flächiges Verbundbauteil ausgebildete Dachmodul 14 bildet einen Materialverbund, der eine Trägerstruktur 16 aufweist, welche aus einer Papierwabe 18 und einer ersten, auf einer Seite der Papierwabe 18 angeordneten Deckschicht 20 und einer zweiten, auf der anderen Seite der Papierwabe 18 angeordneten Deckschicht 22 besteht. Die beiden Deckschichten 20 und 22 bestehen jeweils aus einem Polyurethan/Glasfaser-Gemisch und dienen als Versteifungsschichten der Trägerstruktur 16.
Auf der ersten Deckschicht 20 ist eine so genannte Sperr- bzw. Entkopplungsschicht angeordnet, die aus dünnen Einzelschichten aufgebaut ist und eine so genannte Multi-Tec-Schicht bildet. Die einzelnen Schichten des Schichtaufbaus der Sperrschicht 24 sind teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet. An der der Fahrzeugaußenseite zugewandten Seite trägt die Sperrschicht 24 eine Außenschicht 26, die die Sichtfläche des Dachmoduls 14 darstellt und aus einem so genannten IMC-Lack gebildet ist, der mithin im Prozess bei der Herstellung des Dachmoduls 14 an der Außenseite desselben ausgebildet wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Außenschicht 26 auch eine im Prozess ausgebildete Haftvermittlerschicht darstellen, die nachträglich in einer gewünschten Farbgebung lackiert werden kann.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform hat die Trägerstruktur 16 einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der in Abhängigkeit von der Materialwahl der Außenschicht 26 größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht 24 ist.
Ferner kann die Deckschicht 20 der Trägerstruktur 16 einen Temperaturausdehnungskoeffizienten haben, der kleiner als oder größer als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht 24 ist. Denkbar ist es auch, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der Deckschicht 20 gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht 24 ist.
Die der Sperrschicht 24 abgewandte Deckschicht 22 der Trägerstruktur 16 hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der ebenfalls größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht 24 oder auch gleich dem Temperaturkoeffizienten der Sperrschicht 24 ist.
Die Einstellung der Temperaturausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten erfolgt durch die Einstellung des Faseranteils in dem jeweiligen Polyurethan/Glasfaser-Gemisch.
Die Herstellung des in 2 dargestellten Materialverbunds erfolgt derart, dass zunächst in einen Formhohlraum eines Formwerkzeugs ein Beschichtungswerkstoff, der als so genannter IMC(In-Mould-Coating)-Lack ausgebildet ist, auf eine den Formhohlraum begrenzende Fläche aufgesprüht wird. Anschließend wird auf den Beschichtungswerkstoff ein die Sperrschicht 24 bildendes Polyurethan/Glasfaser-Gemisch aufgesprüht. Dann wird die Trägerstruktur 16, die aus der Papierwabe mit beidseits angeordneten, mit Polyurethan durchtränkten Glasfasermatten besteht, in das Formwerkzeug eingelegt. Nach dem Einsprühen bzw. Einlegen der verschiedenen Bauteilkomponenten wird das Werkzeug geschlossen, so dass durch den resultierenden Heiz-/Press-Vorgang die Polyurethankomponenten und der Beschichtungswerkstoff ausreagieren können und das fertige das Dachmodul 14 bildende Verbundbauteil geformt wird. Nach dem Erstarren des Verbundbauteils kann das Formwerkzeug geöffnet und das Dachmodul 14 entformt werden. Das fertige das Verbundbauteil bildende Bauteil kann dann ohne weitere Nachbearbeitung an dem betreffenden Fahrzeug verbaut werden.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Verbundbauteils 14' dargestellt, das im Wesentlichen demjenigen nach 2 entspricht, sich von diesem aber dadurch unterscheidet, dass es auf der der Außenschicht 26 abgewandten Seite eine zusätzliche, eine Gegenzugschicht darstellende Materialschicht 28 aufweist, die ebenfalls eine Sperrschicht darstellt. Die Gegenzugschicht 28, die als zusätzliche Zwischenschicht aufgefasst werden kann, an die sich ein nachträglich aufzubringender Fahrzeuginnenhimmel anschließt, ist entsprechend der Sperrschicht 24 ebenfalls aus einem Schichtaufbau dünner Einzelschichten gebildet, die teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind.
Die Gegenzugschicht 28 hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten, der dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht 24 entspricht. Alternativ ist es zur Einstellung eines speziellen Temperaturverhaltens des Verbundbauteils 14' auch denkbar, dass die Gegenzugschicht 28 einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner oder größer als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht 24 ist.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Dachrahmen
14: Dachmodul
16: Trägerstruktur
18: Papierwabe
20: Deckschicht
22: Deckschicht
24: Sperrschicht
26: Außenschicht
28: Gegenzugschicht

Claims

Flächiges Verbundbauteil, insbesondere Fahrzeugkarosserieteil, umfassend einen Materialverbund mit einer Außenschicht (26), einer an die Außenschicht angrenzenden Sperrschicht (24) und einer Trägerstruktur (16), auf der die Sperrschicht angeordnet ist und die einen Kern (18) umfasst, der an der der Sperrschicht (24) zugewandten Seite mit einer ersten Deckschicht (20) und an der der Sperrschicht (24) abgewandten Seite mit einer zweiten Deckschicht (22) versehen ist, wobei die Sperrschicht ein Abbilden von strukturellen Merkmalen der Trägerstruktur (16) auf der Außenschicht (26) verhindert, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (24) und die Trägerstruktur (16) Temperaturausdehnungskoeffizienten haben, die so gewählt sind, dass eine Deformation des Materialverbunds bei einer Temperaturänderung in einem Bereich zwischen –50°C und +80°C zumindest weitgehend unterbleibt, und dass die Sperrschicht (24) einen Schichtaufbau hat, dessen einzelne Schichten teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind.
Flächiges Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der Trägerstruktur (16) größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht (24) ist.
Flächiges Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient der ersten Deckschicht (20) gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht (24) oder größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht (24) ist.
Flächiges Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der zweiten Deckschicht (22) gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht (24) oder größer oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht (24) ist.
Flächiges Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Gegenzugschicht (28), die an die zweite Deckschicht (22) der Trägerstruktur (16) grenzt.
Flächiges Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenzugschicht (28) einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der gleich dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der Sperrschicht (24) oder größer als oder kleiner als der Temperaturausdehnungskoeffizient der Sperrschicht (24) ist.
Flächiges Verbundbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenzugschicht (28) einen Schichtaufbau hat, dessen einzelne Schichten teilweise aus einem faserfreien Polyurethanwerkstoff und teilweise aus einem faserhaltigen Polyurethanwerkstoff gebildet sind.