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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Naturfaserwerkstoffen, bei dem zwei Mattenelemente aus einem Naturfaserwerkstoff, die eine erste und eine zweite Grenzfläche aufweisen, einer Heizpressvorrichtung zugeführt werden und darin auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt und vorverdichtet werden und bei dem die vorverdichteten Mattenelemente in eine Formpressvorrichtung eingebracht werden und darin geformt werden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einstückige Hohlkörper aus thermoplastischen Werkstoffen durch Blasformverfahren herzustellen. Beispiele für derartige Verfahren und dadurch hergestellte Bauteile liefern die
DE 100 35 185 A1 , die
DE 11 2004 001 529 T5 sowie die
DE 698 19 487 T2 . Beim Blasformen wird ein Schlauch aus einem heißen thermoplastischen Kunststoffmaterial kontinuierlich aus einem angeflanschten Werkzeug in vertikaler Richtung nach unten ausgestoßen. In das geöffnete, zweigeteilte Werkzeug wird anschließend ein Dorn eingeführt, der in den Schlauch eingreift. Das Werkzeug wird geschlossen und umhüllt den Schlauch mitsamt des Dorns. In einem nächsten Arbeitsschritt wird Druckluft durch den Dorn in den Kunststoffschlauch eingebracht. Der Kunststoffschlauch legt sich dadurch an die Kontur des Werkzeugs an, kühlt aus und bildet die Kontur des Werkzeugs ab. Nach dem Öffnen des Werkzeugs wird der Hohlkörper entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten. Typische Bauteile im Automobilbereich, die durch Blasformen thermoplastischer Werkstoffe hergestellt werden können, sind unter anderem Luftführungsteile sowie Flüssigkeitsbehälter. Wesentliche Nachteile bei der Verwendung thermoplastischer Werkstoffe zur Herstellung von Hohlkörpern besteht in der Anhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen. Ferner haben Hohlkörper aus thermoplastischen Werkstoffen ein relativ hohes Gewicht, was sich nachteilig auf ihre CO
2-Bilanz während der Einsatzdauer auswirkt.
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Um Hohlkörper, wie zum Beispiel einen Luftkanal für ein Kraftfahrzeug, aus Naturfaserwerkstoffen herzustellen, müssen mit Hilfe eines Formpressverfahrens zunächst zwei Halbschalen hergestellt werden, die im Anschluss daran dauerhaft und dicht miteinander verbunden werden. Dabei wird in einem ersten Arbeitsschritt zunächst ein Mattenelement, das einen Naturfaserwerkstoff enthält, einer Heißpressvorrichtung zugeführt, darin auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt und vorverdichtet. Nach der Entnahme aus der Heißpressvorrichtung wird das vorgepresste Mattenelement in eine gekühlte Formpressvorrichtung eingelegt und dort in die endgültige Form gepresst. Das Bauteil kann dann aus der Formpressvorrichtung entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten werden. Dieses vorstehend beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass zur Herstellung hohler (insbesondere rohrförmiger) oder schalenförmiger Bauteile stets zwei Komponenten, und zwar eine Oberschale und eine Unterschale, benötigt werden. Diese beiden Komponenten müssen nach dem Pressvorgang in der Formpressvorrichtung (zumindest nahezu) luftdicht miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck ist mindestens ein zusätzlicher Verbindungsflansch erforderlich, der zu einem erhöhten Bauteilgewicht führt. Ferner wird der Herstellungsaufwand erhöht, um die mechanische Verbindung der beiden Komponenten mittels Schweißen oder Nieten sowie die luftdichte Verbindung der beiden Komponenten herzustellen.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Hohlkörpers oder Schalenbauteils, aus Naturfaserwerkstoffen anzugeben, das eine einfachere und kostengünstigere Herstellung des Bauteils ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Eine alternative Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, dass
- – die erste Grenzfläche jedes der beiden Mattenelemente nach dem Erwärmen und Vorverdichten zumindest abschnittsweise mit einer Schicht aus einem thermoplastischen Material versehen wird;
- – die Mattenelemente anschließend zur Bildung einer Sandwichanordnung mit ihren jeweiligen Schichten nach innen weisend aufeinandergesetzt werden;
- – die Sandwichanordnung in die Formpressvorrichtung eingebracht wird und mit einer Zuhaltekraft beaufschlagt wird; und
- – in einen Bereich zwischen den beiden Schichten ein gasförmiges Medium mit Überdruck eingeleitet wird, so dass die Mattenelemente zur Formung der Kontur des Bauteils gegen die Kavität der Formpressvorrichtung gedrückt werden.
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Ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich gemäß Anspruch 2 dadurch aus, dass
- – die erste Grenzfläche jedes der beiden Mattenelemente vor dem Erwärmen und Vorverdichten zumindest abschnittsweise mit einer Schicht aus einem thermoplastischen Material versehen wird;
- – die Mattenelemente nach dem Erwärmen und Vorverdichten zur Bildung einer Sandwichanordnung mit ihren jeweiligen Schichten nach innen weisend aufeinandergesetzt werden;
- – die Sandwichanordnung in die Formpressvorrichtung eingebracht wird und mit einer Zuhaltekraft beaufschlagt wird; und
- – in einen Bereich zwischen den beiden Schichten ein gasförmiges Medium mit Überdruck eingeleitet wird, so dass die Mattenelemente zur Formung der Kontur des Bauteils gegen die Kavität der Formpressvorrichtung gedrückt werden.
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Es hat sich gezeigt, dass die Prozessabfolge so flexibel gestaltbar ist, dass der Schritt des Aufbringens der Schichten aus dem thermoplastischen Material auf die erste Grenzfläche der beiden Mattenelemente wahlweise vor oder nach dem Schritt des Erwärmens und Vorverdichtens erfolgen kann. Die Schichten aus thermoplastischem Material können insbesondere aus einem Polyolefin-Werkstoff, insbesondere aus Polypropylen, hergestellt werden. Die beiden Mattenelemente werden durch die Beaufschlagung mit dem gasförmigen Medium an die durch die Kontur der Kavität der Formpressvorrichtung vorgegebene Form und Kontur des herzustellenden Bauteils angepasst. Mit anderen Worten bildet sich durch den Überdruck im Inneren der Sandwichanordnung zwischen den beiden Schichten eine Blase, welche durch die Werkzeugkavität ihre äußere Formkontur erhält. Während und nach dem Umformvorgang kühlen sich die Mattenelemente der Sandwichanordnung ab und erstarren in der Kavität der Formpressvorrichtung. Nach dem Ausformen und Kühlen wird das fertig geformte Bauteil aus der Formpressvorrichtung entnommen. Das Bauteil kann anschließend gegebenenfalls einem Schneidprozess, der insbesondere einen Stanzschneidprozess umfassen kann, zugeführt werden, um es auf die gewünschte Größe zuzuschneiden. Die beiden hier vorgestellten Verfahren ermöglichen eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung hohler (beispielsweise rohrförmiger) oder schalenförmiger Bauteile aus Naturfaserwerkstoffen. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren werden thermoplastische Kunststoffe durch eine Matrix aus Naturfasermaterialien (insbesondere aus Hanf, Flachs oder dergleichen) ersetzt. Daraus ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise ein wesentlich verringertes Bauteilgewicht bei nahezu identischen mechanischen Eigenschaften. Bauteile, die in einem Kraftfahrzeug Aufgaben der Luftführung und/oder Luftverteilung zu erfüllen haben, sind auf Grund ihrer relativ geringen technischen und mechanischen Anforderungen für die Herstellung aus Naturfaserwerkstoffen mit Hilfe der hier vorgestellten Verfahren geeignet. Das Bauteil kann zum Beispiel auch ein flächiges Bauteil sein, das eine erhöhte Formstabilität aufweisen muss, wie zum Beispiel eine Sitzschale oder ein Verkleidungselement. Der Einsatz von Naturfaserwerkstoffen zur Herstellung des Bauteils trägt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung des Fahrzeuggewichts und damit zu einer Verminderung des CO2-Ausstoßes bei. Durch die Einsparung eines Werkzeugsatzes können die Werkzeugkosten in vorteilhafter Weise verringert werden. Die mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens hergestellten Bauteile aus Naturfaserwerkstoffen sind auf Grund des Wegfalls von zusätzlichen Verbindungsmitteln und durch ihre Gestaltung sehr formstabil.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die erste Grenzfläche jedes der beiden Mattenelemente jeweils vollflächig mit einer Schicht aus thermoplastischem Material versehen wird. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme die Bauteilstabilität in vorteilhafter Weise erhöht werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem Einbringen der Sandwichanordnung in die Formpressvorrichtung ein Dorn, eine Lanze oder dergleichen in den Bereich zwischen den beiden Schichten eingeführt wird zur Bildung eines Hohlraums, in den das gasförmige Medium mit Überdruck eingeleitet wird. Dadurch kann die Formung der beiden Mattenelemente der Sandwichanordnung zur Bildung der Kontur des Bauteils in vorteilhafter Weise vereinfacht werden.
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Um die Herstellung der Schichten aus dem thermoplastischen Werkstoff auf den ersten Grundflächen der beiden Mattenelemente zu vereinfachen, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Schichten durch luftdichte Folien gebildet werden. Derartige Folien können relativ dünn ausgeführt sein und lassen sich sehr einfach mit wenigen Handgriffen auf die gewünschte Größe zuschneiden und auf die erste Grenzfläche des betreffenden Mattenelements auflegen.
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Um einen festen Verbund zwischen den Folien und den ersten Grenzflächen der Mattenelemente zu erreichen, besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass die Folien auf die Grenzflächen der beiden Mattenelemente auflaminiert werden.
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Vorzugsweise werden Mattenelemente verwendet, die aus einem Nadelfilz bestehen. Es hat sich gezeigt, dass Mattenelemente aus Nadelfilz eine ausreichende strukturelle Stabilität aufweisen und für die Herstellung von Bauteilen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden sollen, sehr gut geeignet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht ferner die Möglichkeit, dass auf der zweiten Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente zumindest abschnittsweise eine Dekorschicht angeordnet wird, die während des Formprozesses in der Formpressvorrichtung mit der Sandwichanordnung verbunden wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, ein Bauteil herzustellen, das zumindest an einer Seite (Sichtseite) eine dekorative, optisch ansprechende Flächengestaltung aufweist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil nach dem Einbau in ein Kraftfahrzeug für einen Benutzer sichtbar ist. Die zweite Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente, die mit der Dekorschicht versehen ist, bildet dabei eine Außenseite des Bauteils.
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Um die Bildung unerwünschter Geräusche, wie zum Beispiel die Bildung von Klapper- und/oder Schabgeräuschen nach dem Einbau des Bauteils in ein Kraftfahrzeug zu vermeiden, besteht in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass auf der zweiten Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente zumindest abschnittsweise eine Dämmschicht angeordnet wird, die während des Umformprozesses in der Formpressvorrichtung mit der Sandwichanordnung verbunden wird. Die Dämmschicht aus einem schalldämmenden Material kann zum Beispiel eine Filzschicht sein.
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Alternativ ist es auch möglich, eine Schicht auf der zweiten Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente anzuordnen, die sowohl eine Dämm- als auch eine Dekorfunktion hat und diese während des Umformprozesses in der Formpressvorrichtung mit der Sandwichanordnung zu verbinden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können auch mehrere Schichten übereinander (zum Beispiel zunächst eine Dämmschicht und darauf eine Dekorschicht) auf der zweiten Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente angeordnet werden, die während des Umformprozesses in der Formpressvorrichtung mit der Sandwichanordnung verbunden werden.
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Um den Formprozess der Sandwichanordnung innerhalb der Formpressvorrichtung zu unterstützen, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in der Kavität der Formpressvorrichtung während des Formens der Sandwichanordnung zusätzlich ein Unterdruck erzeugt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung eines Mattenelements aus einem Naturfaserwerkstoff mit einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem thermoplastischen Werkstoff;
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2 eine perspektivische Ansicht einer Sandwichanordnung, die aus zwei Mattenelementen gemäß 1 gebildet ist;
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3 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Formpressvorrichtung, in die eine Sandwichanordnung gemäß 2 zur Formung eines Bauteils eingebracht ist;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Bauteils nach dem Formen in der Formpressvorrichtung gemäß 3;
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5 eine perspektivische Darstellung des Bauteils gemäß 4 nach einem Schneidprozess.
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Nachfolgend soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils 1 aus Naturfaserwerkstoffen näher erläutert werden.
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Zunächst werden zwei, in diesem Ausführungsbeispiel rechteckig ausgeführte Mattenelemente 2, 3, die aus einem Naturfaserwerkstoff (insbesondere aus Nadelfilz) bestehen und die eine erste und eine zweite Grenzfläche aufweisen, zugeschnitten und anschließend in eine Heizpressvorrichtung eingelegt, darin vorverdichtet und auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt. Danach werden die erwärmten und vorverdichteten Mattenelemente 2, 3 wieder aus der Heizpressvorrichtung entnommen. Dann wird zur Bildung einer Schicht 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff auf eine erste der beiden Grenzflächen jedes der beiden Mattenelemente 2, 3 jeweils vollflächig eine dünne, luftdichte Polypropen-Folie (kurz: PP-Folie) auflaminiert. Bei Polypropen handelt es sich um einen teilkristallinen thermoplastischen Werkstoff, der zur Gruppe der Polyolefine gehört. Andere thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyolefine, können ebenfalls zur Bildung der Schicht 4 verwendet werden. Ein derartiges Mattenelement 2, 3 aus Naturfaserwerkstoff, auf dessen erste Grenzfläche eine Schicht 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff in der vorstehend beschriebenen Weise auflaminiert wurde, ist in 1 perspektivisch dargestellt.
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Nach dem Aufbringen der Schicht 4 auf die erste Grenzfläche jedes der beiden Mattenelemente 2, 3 werden diese jeweils mit der Schicht 4 nach innen weisend aufeinandergesetzt und bilden somit eine Sandwichanordnung 6, wie sie in 2 perspektivisch dargestellt ist. Mit anderen Worten liegen also die beiden ersten Grenzflächen der beiden Mattenelemente 2, 3, auf denen jeweils die Schicht 4 aus einem thermoplastischen Werkstoff aufgebracht wurde, im Inneren der Sandwichanordnung 6 aufeinander.
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Die so erhaltene und aus den beiden Mattenelementen 2, 3 gebildete Sandwichanordnung 6 wird unter weiterer Bezugnahme auf 3 in einem nachfolgenden Prozessschritt in eine geöffnete Formpressvorrichtung 5 eingelegt, die ein Werkzeugoberteil 50 und ein Werkzeugunterteil 51 aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind, um die Formpressvorrichtung 5 wahlweise öffnen und schließen zu können. Vorzugsweise ist die Formpressvorrichtung 5 kühlbar ausgeführt. Die Formpressvorrichtung 5 wird nach dem Einlegen der Sandwichanordnung 6 geschlossen und die beiden Mattenelemente 2, 3 werden mit einer definierten Kraft (Zuhaltekraft) zusammengedrückt. Dabei bildet sich in Umfangsrichtung ein umlaufender, endloser Dichtflansch. Anschließend wird der Bereich zwischen den beiden Schichten 4, der sich zwischen den beiden Mattenelementen 2, 3 bildet, mit einem gasförmigen Medium, vorzugsweise mit Druckluft, beaufschlagt. Zu diesem Zweck wird vorteilhaft ein Dorn, eine Lanze oder dergleichen in den Bereich zwischen den beiden Schichten 4 eingeführt und in dem so entstandenen Hohlraum 7 wird mittels des gasförmigen Mediums, insbesondere mittels Druckluft, ein Überdruck erzeugt. Die beiden Mattenelemente 2, 3 werden an die durch die beiden Werkzeugteile 50, 51 der Formpressvorrichtung 5 vorgegebene Form und Kontur des herzustellenden Bauteils 1 angepasst. Mit anderen Worten bildet sich durch den Überdruck im Inneren der Sandwichanordnung 6 in dem Hohlraum 7 zwischen den beiden Schichten 4 eine Blase, welche durch die Werkzeugkavität ihre äußere Formkontur erhält. Während und nach dem Umformvorgang kühlen sich die Mattenelemente 2, 3 der Sandwichanordnung 6 ab und erstarren in der Kavität der Formpressvorrichtung 5. Nach dem Ausformen und Kühlen wird das fertig geformte Bauteil 1 aus der Formpressvorrichtung 5 entnommen. Ein Beispiel für ein auf diese Weise hergestelltes Bauteil 1 ist in 4 dargestellt.
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Dabei handelt es sich um ein Luftführungsteil für ein Kraftfahrzeug. Das Bauteil 1 kann anschließend einem Schneidprozess zugeführt werden, um es auf die gewünschte Größe zuzuschneiden. Der Schneidprozess kann insbesondere einen Stanzschneidprozess umfassen.
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Der Einsatz von Naturfaserwerkstoffen zur Herstellung des Bauteils 1 mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens trägt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung des Fahrzeuggewichts und damit zu einer Verminderung des CO2-Ausstoßes bei. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung von Bauteilen 1 aus Naturfaserwerkstoffen. Durch die Einsparung eines Werkzeugsatzes können die Werkzeugkosten in vorteilhafter Weise verringert werden. Die mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens hergestellten Bauteile 1 aus Naturfaserwerkstoffen sind auf Grund des Wegfalls von zusätzlichen Verbindungsmitteln und durch ihre Gestaltung sehr formstabil und eignen sich für zahlreiche unterschiedliche Anwendungszwecke. In dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 1 ein Luftführungsbauteil für ein Kraftfahrzeug. Das Bauteil 1 kann zum Beispiel auch ein flächiges Bauteil sein, das eine erhöhte Formstabilität aufweisen muss, wie zum Beispiel eine Sitzschale oder ein Verkleidungselement.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch die Verwendung zusätzlicher Dekor- und/oder Dämmschichten, die vor dem Einbringen der Sandwichanordnung 6 auf die zweite Grenzfläche (also auf diejenige Fläche, die nicht mit der Schicht 4 aus einem thermoplastischen Material versehen ist und damit eine Außenfläche bildet) mindestens eines der beiden Mattenelemente 2, 3 angeordnet werden. So kann zum Beispiel eine Filzschicht zur Verminderung von Klapper- und/oder Schabgeräuschen (vorzugsweise vollflächig) auf der zweiten Grenzfläche mindestens eines der beiden Mattenelemente 2, 3 angeordnet werden und im anschließenden Press-Glasschritt in der Formpressvorrichtung 5 mit der Sandwichanordnung 6 fest verbunden werden.
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Auf Grund der flexiblen Gestaltbarkeit der Prozessabfolge können in einem alternativen Ausführungsbeispiel, das hier nicht explizit dargestellt ist, die Schichten 4 aus dem thermoplastischen Material auch vor dem Einlegen in die Heizpressvorrichtung auf den ersten Grenzflächen der jeweiligen Mattenelemente 2, 3 angeordnet werden.
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Des Weiteren ist es möglich, den Formprozess durch Erzeugen eines Unterdruck innerhalb der Werkzeugkavität zu unterstützen. Ferner können auch ein oder mehrere Hinterschnitte im Bauteil 1 realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Mattenelement
- 3
- Mattenelement
- 4
- Schicht aus thermoplastischem Material
- 5
- Formpressvorrichtung
- 6
- Sandwichanordnung
- 7
- Hohlraum
- 50
- Werkzeugoberteil
- 51
- Werkzeugunterteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10035185 A1 [0002]
- DE 112004001529 T5 [0002]
- DE 69819487 T2 [0002]
