DE102010005700A1 - Verbundbauteil aus Polyurethan-Sandwichmaterialien mit farbiger Deckschicht - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (01) zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils aus Sandwichmaterialien, umfassend eine Trägerschicht (02) mit hoher mechanischer Festigkeit und eine auf die Trägerschicht (02) aufgefluteten Deckschicht (03), wobei die Deckschicht (03) aus einem farbigen Kunststoff hergestellt ist, wobei auf der Außenseite der Deckschicht (03) aus farbigem Kunststoff eine Lackschicht (04) aus farblosen Klarlack angebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil aus Polyurethan-Sandwichmaterialien mit einer farbigen Deckschicht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils.
  • Verwendung findet ein derartiges Bauteil vorwiegend bei Fahrzeugen. Üblicherweise werden Fahrzeugkarosserien aus Metall hergestellt. Aufgrund der Forderung nach einem geringen Gewicht, als auch nach geringen Herstellkosten, gibt es Bestrebungen, Teile der Fahrzeugkarosserie aus Kunststoff anstelle von Metall zu fertigen. Aus dem Stand der Technik sind Systeme bekannt, bei denen einzelne aus Kunststoff gefertigte Elemente Teil der Außenkarosserie bilden, wobei nach Komplettierung der Karosserie diese abschließend inklusive der Kunststoffteile lackiert wird. Insofern ist sichergestellt, dass die gesamte Karosserie den gleichen Farbton aufweist. In aller Regel ist es hierbei notwendig, die Kunststoffbauteile vor der Lackierung mit einer Grundierung zu versehen. Zur Erzielung der notwendigen Steifigkeit der Karosseriebauteile aus Kunststoff sind diese in aller Regel mehrschichtig in einer besonders großen Stärke ausgeführt. Insofern wird trotz des geringeren E-Moduls der einzelnen Materialien mithilfe der hohen Bauteilstärke die notwendige Biegesteifigkeit erreicht und somit wird der Ersatz für das Metallblech ermöglicht.
  • Problematisch in einigen Fällen ist es, wenn nur ein geringer Bauraum bzw. nur eine geringe Materialstärke zulässig ist. In diesen Fällen wird im Stand der Technik generell ein Metallblech eingesetzt. Wünschenswert ist es jedoch, wenn möglichst viele Bauteile aus Kunststoff hergestellt werden können. Dies gilt insbesondere, wenn ohnehin einige Komponenten der Karosserie aus Kunststoff hergestellt werden.
  • Besonders das Lackieren stellt einen hohen Kostenfaktor dar. Insofern wäre es von Vorteil, wenn nicht die gesamte Karosserie lackiert werden muss, sondern nur die Metallteile, während hingegen die Kunststoffteile bereits zuvor farbig ausgeführt sind. Hierbei gilt es insbesondere dem aktuellen Trend Rechnung zu tragen, Fahrzeuge mitunter mehrfarbig auszuführen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugbauteil bereitzustellen, welches als Ersatz für ein metallisches Karosseriebauteil und ggf. weitere flächige Bauteile mit Lackierungen oder Bezügen eingesetzt werden kann. Erforderlich ist eine geringe Materialstärke und eine Oberfläche bereits in der gewünschten Farbe.
  • Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung jenes Bauteils anzugeben.
  • Zur Realisierung des Fahrzeugbauteils wird ein Verbundbauteil aus Sandwich-Materialien vorgeschlagen. Dieses umfasst eine Trägerschicht mit einer hohen mechanischen Festigkeit und eine auf diese Trägerschicht aufgeflutete Deckschicht. Charakteristisches Merkmal ist es, dass die Deckschicht aus einem farbigen Kunststoff hergestellt ist, wobei auf der Außenseite der Deckschicht aus farbigem Kunststoff eine Lackschicht aus farblosem Klarlack aufgebracht ist.
  • Durch die Verwendung eines Verbundbauteils mit einer Trägerschicht mit hoher mechanischer Festigkeit wird das Problem gelöst, das Metallblech auch in dem Falle ersetzen zu können, wenn nur ein geringer Bauraum hinsichtlich der zulässigen Materialstärke vorhanden ist. Mittels der Lösung, eine Deckschicht aus farbigem Kunststoff einzusetzen, welche wiederum mittels einer Klarlackschicht überzogen ist, wird die Aufgabe gelöst, das Bauteil bereits fertig in Wagenfarbe auszuführen. Insofern erübrigt sich ein nachfolgendes farbiges Lackieren dieses Bauteils. Insofern wird durch die erfinderische Lösung ein kostengünstiges leichtes Bauteil zur Verfügung gestellt. Dieses ermöglicht es als Teile der Fahrzeugkarosserie eingesetzt zu werden. Wenngleich der primäre Einsatzzweck die Verwendung in einer Fahrzeugkarosserie vorsieht, ist es offensichtlich, dass ein derartiges erfinderisches Bauteil gleichwohl auch für andere Einsatzzwecke verwendet werden kann. Insofern muss dieses nicht nur ein Karosseriebauteil sein sondern kann desgleichen ein Interieurbauteil oder ein sonstiges Bauteil sein, welches mit einer farbigen Oberfläche auszuführen ist. Die Klarlack-Schicht realisiert eine mechanische Schutzschicht der darunter befindlichen farbigen Deckschicht. Da die Deckschicht vorwiegend kratzempfindlich ist, wird durch die unempfindliche Klarlack-Schicht die notwendige Eigenschaft zur Erzielung einer hohen Lebensdauer im Gebrauch erreicht.
  • In bevorzugter Ausführungsform wird die Trägerschicht aus einem faserverstärktem Polyurethan mit einem Faseranteil von über 40%, insbesondere über 50%, gebildet. Da die Fasern maßgeblich die Zugfestigkeit und somit insgesamt die Festigkeitseigenschaften des Verbundbauteils bestimmen, ist ein hoher Anteil vorteilhaft.
  • In üblicher Ausführungsform werden als Fasern Glasfasern für die Trägerschicht gewählt.
  • Die hohe mechanische Festigkeit dieser Trägerschicht wird insbesondere durch ein Pressen einer Platte aus faserverstärktem Polyurethan erreicht.
  • Hierbei wird in der Herstellung der Trägerschicht vor und/oder während des Aushärtens der erforderlichen Polyurethan-Lösung ein hoher Druck auf den Schichtaufbau bzw. das Polyurethan-Faser-Gemisch aufgebracht.
  • Im Ergebnis besitzt eine vorteilhafte Ausführungsform eine Dichte der Polyurethanmatrix innerhalb der Trägerschicht mit einem Wert von größer als 1 g/cm3.
  • Als Ersatz für ein Metallbauteil weist das E-Modul der Trägerschicht vorteilhafterweise einen Wert von über 10.000 N/mm2, insbesondere vorzugsweise über 15.000 N/mm2, auf.
  • Entsprechend der Aufgabe, ein Verbundbauteil zur Verfügung zu stellen, welches bei begrenztem Bauraum eingesetzt werden kann, besitzt die Trägerschicht eine Stärke von über 1 mm und unter 5 mm, insbesondere über 2 mm und unter 4 mm.
  • Ein kostengünstiger und zugleich hinsichtlich der Haftung zur Trägerschicht vorteilhafter Aufbau wird durch eine Deckschicht aus eingefärbtem Polyurethan erreicht. Dieses ist dahingehend vorteilhaft, da die Trägerschicht ebenso in der Matrix aus Polyurethan besteht.
  • Hierbei weist die Deckschicht insbesondere eine Class-A Qualität auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass dieses Verbundbauteil für die Verwendung in Fahrzeugen als Teil einer Fahrzeugkarosserie Verwendung finden kann.
  • Der Entwicklung nach insbesondere mehrfarbigen Karosserien wird vorteilhafterweise dadurch Rechnung getragen, dass die Deckschicht zumindest zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die aus unterschiedlich eingefärbten Kunststoffen bestehen. Durch diese Ausführungsform wird es ermöglicht, über ein Karosseriebauteil hinweg zwei verschiedene Farbbereiche zu realisieren. Dies gibt dem Design völlig neue Freiheiten und Spielräume, die durch ein herkömmliches Lackierverfahren kaum möglich sind. Gleichfalls wird trotz der Ausführung in mehrfarbigen Bereichen keine deutliche Kostenerhöhung verursacht, während hingegen bei einem herkömmlichen Lackierprozess mit deutlichen Mehrkosten zu rechnen ist. Insofern ermöglicht es erst diese Ausführungsform, mehrfarbige Karosseriebauteile zu realisieren, ohne hierbei extrem hohe Kosten hinnehmen zu müssen.
  • Sofern das erfinderische Verbundbauteil im Interieur Verwendung findet, kann die Oberfläche der Deckschicht eine Narbung aufweisen.
  • Hierbei ist es entsprechend möglich unterschiedliche Narbungsstrukturen in zumindest zwei unterschiedlichen Bereichen mit verschiedenen Farben einzusetzen. Insofern wird gleichfalls ermöglicht, in einem Bauteil mehrere Strukturen abzubilden, ohne dass es einer Montage verschiedener Bauteile bedarf.
  • Die Herstellung eines entsprechend neuartigen Verbundbauteils erfordert zwangsläufig ein neuartiges Herstellungsverfahren. Daher wird erfindungsgemäß ein neues Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils eingesetzt. Dieses ähnelt der Herstellung eines üblichen faserverstärkten Bauteils, jedoch mit kleinen aber wesentlichen Merkmalsänderungen, die entsprechende Eigenschaften zur Folge haben. Hierzu wird ein Fasergewebe neben ein für den ersten Prozess erforderliches Werkzeug aufgespannt. Entgegen der üblichen Methode, die Polyurethanzubereitung zur Bildung des Bauteils in das Werkzeug aufzusprühen, wird hingegen im erfinderischen Prozess das aufgespannte Fasergewebe mit dieser Polyurethanzubereitung eingesprüht. Dieses entsprechend mit Polyurethan getränkte Fasergewebe wird in das erste Werkzeug eingelegt. Unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur findet eine weitgehende Aushärtung des Polyurethans statt und bildet die Tragschicht des Verbundbauteils.
  • In einem zweiten Prozess mit einem zweiten Werkzeug wird die entsprechende Polyurethanoberfläche hergestellt. Hierzu weist das Werkzeug eine Kavität auf, die durch einen definierten Spalt zwischen der zuvor produzierten Tragschicht und der Form der zweiten Werkzeughälfte gebildet wird. In einem aus dem Spritzgießprozess bekannten Verfahren wird nach dem Schließen des zweiten Werkzeugs die Kavität mit entsprechend eingefärbter Polyurethan-Zubereitung gefüllt. Das Polyurethan härtet bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus, wie auch im vorhergehenden Prozess. Durch das erfinderische Herstellungsverfahren wird es ermöglicht, eine perfekte Class-A Oberfläche zu erreichen.
  • Ausgeführt wurde, dass im zweiten Prozess ein zweites Werkzeug erforderlich ist. Dieses kann zum einen aus einem eigenständigen zweiten Werkzeug bestehen, wobei im Wechsel vom ersten Prozess die Tragschicht aus dem ersten Werkzeug entnommen und in das zweite Werkzeug eingelegt wird. Jedoch ist es ebenso möglich, zum Zweck des Erzeugens des zweiten Werkzeugs hierzu die Werkzeugunterhälfte des ersten Werkzeugs zu verwenden. Hierbei wird die Werkzeugoberhälfte des ersten Werkzeugs entfernt und die Werkzeughälfte des zweiten Werkzeugs aufgesetzt. Somit entfällt folglich auch der Schritt der Entnahme und des Einlegens der Tragschicht.
  • Vorteilhafterweise wird zur Herstellung der Deckschicht die Polyurethanzubereitung in das geschlossene Werkzeug in Art des Spritzgießverfahrens eingefüllt. Jedoch ist es ebenso denkbar, die Polyurethanzubereitung auf die Tragschicht im geöffneten zweiten Werkzeug aufzutragen und in Folge das Werkzeug zu schließen, um somit die entsprechende gleichmäßige Verteilung der eingefärbten Polyurethanzubereitung herzustellen.
  • Zur Realisierung eines entsprechenden Verbundbauteils mit einer mehrfarbigen Oberfläche ist entsprechend das zweite Werkzeug mit mehreren Kavitäten ausgeführt. Diese einzelnen Kavitäten werden vorteilhafterweise mit einem Schwert voneinander getrennt. Insofern ist es möglich, die einzelnen Kavitäten im zweiten Werkzeug zugleich oder in kurzem Abstand nacheinander mit unterschiedlich eingefärbten Polyurethanzubereitungen zu füllen.
  • Gleichfalls wäre es aber auch möglich, für jede einzelne Farbe entsprechend der Oberfläche ein weiteres Folgewerkzeug zu bilden.
  • Zum Schutz der Polyurethanoberfläche gegen Kratzer oder sonstigen Beschädigungen wird nach Entnahme des unlackierten Fahrzeugbauteils dieses abschließend mit einem Klarlack überzogen. Dieser verhindert ein Verkratzen oder Beschädigen der eingefärbten Polyurethanoberfläche.
  • Der Aufbau des erfinderischen Verbundbauteils aus Polyurethan-Sandwichmaterialien ist skizzenhaft in den Abbildungen dargestellt. Ebenso wird das Herstellungsverfahren schematisch dargestellt.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch den Schichtaufbau des erfinderischen Verbundbauteils;
  • 2 schematisch den ersten Prozessschritt zur Herstellung der Trägerschicht;
  • 3 schematisch den zweiten Prozessschritt zur Erzeugung der farbigen Deckschicht des Verbundbauteils.
  • In 1 ist die Schichtfolge eines Verbundbauteils 01 zu erkennen, welches aus einer Trägerschicht 02 aus glasfaserverstärktem Polyurethan, der mehrteiligen, farbigen Deckschicht 03 sowie der abschließenden Klarlackschicht 04 besteht. Die Deckschicht 03 weist im Beispiel zwei Bereiche 03a und 03b auf, welche über eine Kerbe voneinander getrennt sind. Somit können die verschiedenen Bereiche verschiedene Farben aufweisen.
  • In 2 ist skizzenhaft der erste Prozess dargestellt. Bei diesem wird auf der aufgespannten Glasfasermatte 05 die Polyurethan-Zubereitung 06 aufgetragen. Entsprechend vorbereitet wird die Polyurethan getränkte Glasfasermatte 02 auf das erste Werkzeugunterteil 11 des ersten Werkzeugs 10 aufgelegt. Durch Schließen des Werkzeugs 10 mit Aufpressen des Werkzeugoberteils 12 und Aufbringen einer erhöhten Temperatur wird das Polyurethan 06 ausgehärtet.
  • Die 3 skizziert schematisch den zweiten Herstellungsprozess, bei dem in Art des Spritzguss-Verfahrens auf die Trägerschicht 02 die Polyurethan-Zubereitung über Öffnungen 17 in die Kavitäten 16 des zweiten Werkzeugs 13 eingefüllt wird. Die Kavitäten 16a und 16b für die verschieden-farbigen Deckschichten 03a und 03b werden gebildet durch das Werkzeugunterteil 14 mit aufliegender Trägerschicht 02 als Spalte zu der zweiten Werkzeughälfte 15.

Claims (16)

  1. Verbundbauteil (01) zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils aus Sandwichmaterialien, umfassend eine Trägerschicht (02) mit hoher mechanischer Festigkeit und eine auf die Trägerschicht (02) aufgefluteten Deckschicht (03), dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (03) aus einem farbigen Kunststoff hergestellt ist, wobei auf der Außenseite der Deckschicht (03) aus farbigem Kunststoff eine Lackschicht (04) aus farblosen Klarlack angebracht ist.
  2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (02) aus faserverstärktem Polyurethan mit einem Faseranteil von über 40%, insbesondere über 50%, besteht.
  3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der Trägerschicht (02) Glasfasern sind.
  4. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (02) durch Pressen einer Platte aus faserverstärktem Polyurethan hergestellt ist.
  5. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Polyurethan-Matrix in der Trägerschicht (02) größer als 1 g/cm3 ist.
  6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das E-Modul der Trägerschicht (02) über 10.000 N/mm2, insbesondere bei vorzugsweise 15.000 N/mm2, liegt.
  7. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (02) eine Stärke von über 1 mm und unter 5 mm, insbesondere über 2 mm und unter 4 mm, aufweist.
  8. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (03) aus eingefärbtem Polyurethan besteht.
  9. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (03) eine Class-A Qualität aufweist.
  10. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (03) zumindest zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die aus zwei unterschiedlich eingefärbten Kunststoffen bestehen.
  11. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (03) eine Narbung aufweist.
  12. Verbundbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Narbung zumindest zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, die unterschiedliche Narbungsstrukturen aufweisen.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Verbundteiles (01) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung in folgenden Prozessschritten erfolgt: (Aa) Aufspannen eines Fasergewebes (05) neben einem für den ersten Prozess erforderlichen Werkzeug (10); (Ab) Einsprühen des ersten Fasergewebes (05) mit einer Polyurethan-Zubereitung (06); (Ac) Einlegen des Polyurethan (06) – getränkten Fasergewebes (05) in das Werkzeug (10); (Ad) zumindest weitgehende Aushärtung des Polyurethans (06) bei erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur unter Bildung einer Trägerschicht (02); (Ae) Entnahme der Trägerschicht (02) aus dem ersten Werkzeug (10); (Ba) Einlegen der Trägerschicht (02) aus dem ersten Prozessschritt in ein zweites Werkzeug (13) für den zweiten Prozessschritt; (Bb) Schließen des zweiten Werkzeuges (13), wobei im Formnest des zweiten Werkzeuges (13) ein definierter Spalt auf einer Seite des zweiten Werkzeuges (13) verbleibt und somit zumindest eine Kavität (16) bildet; (Bc) Füllen der zumindest einen Kavität (16) mit zumindest einer Polyurethan-Zubereitung; (Bd) Aushärtung des Polyurethans (06) bei erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur; (Be) Entnahme des unlackierten Fahrzeugbauteil; (C) Lackierung des Bauteils aus vorherigem Schritt mit einem Klarlack unter Bildung des Verbundbauteils (01).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Erzeugens des Formnestes im zweiten Werkzeug (13) für den zweiten Prozess das Werkzeugoberteil (12) des ersten Werkzeuges (10) gegen ein zweites Werkzeugoberteil (15) getauscht wird, und wobei das erste Werkzeugunterteil (11) gleichzeitig das zweite Werkzeugunterteil (14) ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Füllens der Kavität (16) (Bc) insofern vor dem Schritt des Schließens des zweiten Werkzeuges (13) (Bb) erfolgt, als hierzu eine Polyurethan-Zubereitung auf die zumindest weitgehend ausgehärtete tragende Schichtfolge (02) aufgetragen wird und in der Folge das zweite Werkzeug (13) geschlossen wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Werkzeug zumindest zwei voneinander mit einem Schwert getrennte Kavitäten vorhanden sind, wobei im Schritt (Bc) zumindest zwei verschiedene Polyurethan-Zubereitungen mit voneinander verschiedenen Farben zugleich oder in kurzem Abstand nacheinander in die jeweilige Kavität eingebracht werden.
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