DE102011011354B4 - Verbundbauteil eines Fahrzeugs und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verbundbauteil eines Fahrzeugs und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Abstract

Verbundbauteil eines Fahrzeugs, mit einem Partikelschaumkern und zumindest einer Laminat-Deckschicht, die mittels PU-Harz mit dem Partikelschaumkern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaum des Partikelschaumkerns (2) ein wärmebeständiger Partikelschaum mit einem temperaturstabilen Additiv ist, wobei der wärmebeständige Partikelschaum ein expandiertes Polystyrol (EPS) oder ein expandiertes Polypropylen (EPP) ist und das temperaturstabile Additiv ein Polyphenylenether (PPE) ist, dass der Partikelschaum des Partikelschaumkerns (2) offenporig gebildet ist, indem durch Einwirkung von Wasserdampf eine Vielzahl von Granulatpartikeln (3) aus thermoplastischem Kunststoff unter Bildung von Poren (9) miteinander thermisch verklebt oder verschmolzen sind, und dass das PU-Harz (6) von der Laminat-Deckschicht (4, 5) her in die Poren (9) des Partikelschaumkerns (2) eingedrungen ist und eine Verankerung für die Laminat-Deckschicht (4, 5) zumindest in einem deckschichtnahen Verankerungsbereich (7) des Partikelschaumkerns (2) oder durchgehend in dem gesamten Partikelschaumkern (2) bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil eines Fahrzeugs mit einem Partikelschaumkern und zumindest einer Laminat-Deckschicht, die mittels PU-Harz mit dem Partikelschaumkern verbunden ist und das Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Verbundbauteile mit unterschiedlichen Kernmaterialien sind für unterschiedliche Einsatzzwecke bekannt. So werden Verbundbauteile gemäß einer Ausführungsform mit einem offenporigen PU-Schaumkern mit darauf angebrachten Deckschichten hergestellt. Ein solches Verbundbauteil ist z. B. ein Dachhimmel eines Fahrzeugs. Der offenporige PU-Schaumkern ist sehr leicht, ist aber für lasttragende Strukturbauteile aufgrund seiner geringen Festigkeit oder für komplexe Geometrien nicht einsetzbar.
  • Des weiteren sind Verbundbauteile mit einem geschlossenporigen PU-Schaumkern bekannt, die z. B. Strukturbauteile wie beispielsweise LKW-Windleitelemente oder Dachmodule von Fahrzeugen darstellen. Das Material des geschlossenporigen PU-Schaumkerns ist jedoch vergleichsweise schwer und in der Herstellung aufwändig. So besteht bei der Herstellung der Verbundbauteile das Problem, dass Luftblasen zwischen dem Schaumkern und der Laminat-Deckschicht eingeschlossen werden können, die aufgrund der geschlossenporigen Oberfläche zu optisch auffallenden Fehlstellen führen, da an diesen Stellen die Laminat-Deckschicht an dem Schaumkern nicht haftet.
  • Verbundbauteile mit einem Partikelschaumkern aus EPS (expandiertem Polystyrol) weisen häufig nicht die erforderliche Temperaturbeständigkeit auf.
  • Bei einem Partikelschaumkern aus expandierbarem EPS mit PPE (Polyphenylenether), das unter der Bezeichnung Suncolor® PPE bekannt ist, sind zwar die mechanischen und thermischen Eigenschaften verbessert, jedoch kann aufgrund der geschlossenporigen Struktur des Partikelschaumkerns sowie des Blend-Additivs PPE, das eine haftmindernde Wirkung aufweist, eine gute oder zumindest ausreichende Haftung einer Laminat-Deckschicht auf dem Partikelschaumkern nicht erzielt werden.
  • Aus der DE 195 40 420 A1 ist ein Formkörper für eine Sonnenblende aus einem Schaumstoffmaterial aus expandierbarem Polystyrol (EPS/PPE) bekannt geworden. Der Polystyrol-Formkörper, der mit einem Dekormaterial überzogen wird, weist aufgrund kleiner Partikeldurchmesser eine sehr feine Struktur mit einer äußerst glatten Oberfläche auf, so dass sich keinerlei Inhomogenitäten auf dem Dekormaterial abzeichnen.
  • Aus der DE 31 26 242 A1 ist ein Formteil in Sandwichbauweise bekannt geworden, das aus einem Halbzeug hergestellt wird, das eine obere faserverstärkte Kunststoff-Deckschicht und eine untere faserverstärkte Kunststoff-Deckschicht mit einem dazwischen angeordneten Schaumkern aufweist. Der Schaumkern ist aus einem homogenen Gemisch aus dem Kunststoff der Kunststoff-Deckschichten, z. B. einem Epoxidharz, und in gleichförmiger Verteilung darin eingelagerter Schaumstoff-Granulatpartikel, z. B. Polystyrol-Perlgranulat, aufgebaut. Das Halbzeug wird zum Herstellen des Formteils in einem beheizbaren Presswerkzeug durch Druck- und Wärmeeinwirkung erhitzt, wobei der Kunststoff durchgehend aushärtet und dabei die gleichmäßig verteilten eingelagerten Granulatpartikel plastifiziert werden und unter Expansion aufschäumen.
  • Aus der DE 10 2008 016 886 A1 ist ein Sandwichlaminat bekannt geworden, das aus einer faserhaltigen Unterschicht, einer faserhaltigen Oberschicht und mindestens einer zumindest teilweise aus granularer Materie gebildeten zwischen der Unterschicht und der Oberschicht angeordneten Zwischenschicht aufgebaut ist. Kunstharz ist mittels eines Vakuuminfusionsverfahrens in die Oberschicht, die Unterschicht und die Zwischenschicht eingebracht worden, so dass eine innige Verbindung zwischen der Unterschicht, der Oberschicht und der dazwischen angeordneten Zwischenschicht hergestellt ist. Die granulare Materie besteht insbesondere aus rieselfähigen Granulatpartikeln wie z. B. Sand, Schaumglas, Perlite oder körnige Kunststoffabfälle. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines solchen Sandwichlaminats werden somit Fasern und Granulatpartikel in eine Form schichtweise übereinander eingebracht und dieser Schichtaufbau aus losen Partikeln wird durch Vakuuminfusion von Kunstharz zu einem festen Sandwichbauteil geformt, indem das Kunstharz durch das Schichtwerk gesaugt wird.
  • Aus der DE 10 2006 056 167 A1 wie auch aus der DE 10 2006 056 136 A1 ist jeweils ein Leichtbau-Formteil bekannt geworden, das einen Kernbereich aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff aufweist, der von zwei faserhaltigen Deckschichten abgedeckt ist. Der Kernbereich enthält ein härtbares flüssiges Matrixmaterial, z. B. einen Kunststoff wie Polyamid oder Acrylat, und mindestens ein Leichtstoff-Füllstoffmaterial wie z. B. Schaumgranulate oder Hohlkugeln zur Gewichtsreduzierung, die als Schüttmaterial in einer Gussform eingebracht werden und vom zunächst flüssigen Matrixmaterial umgeben werden und nach dessen Aushärten gemeinsam einen festen Kernbereich bilden. Die Deckschichten sind gleichfalls aus dem Matrixmaterial gebildet und können auch Füllstoffmaterial enthalten.
  • Aus der AT 002 838 U1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundplatte bekannt geworden, die eine Kernschicht aus unter Beimengung eines Bindemittels verpreßten Polyurethanschaumpartikeln und mindestens eine Oberflächenschicht aus einem textilen Flächengebilde oder einem feuchteresistenten Papier enthält.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verbundbauteil zu schaffen, das eine hohe Festigkeit bei verbesserter Temperaturbeständigkeit aufweist und mit hoher Qualität herstellbar ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die insbesondere zur Außenfläche des Partikelschaumkernes hin offenporige Bildung des Partikelschaumkernes sowie die Poren im Partikelschaumkern ermöglichen auch bei schlechten Hafteigenschaften des wärmebeständigen Partikelschaumes, der aus einem EPS oder EPP mit einem temperaturstabilen Additiv PPE hergestellt ist, dass der Partikelschaumkern als Grundlage zum Anhaften von PU-Harz mit einer festen Verankerung der Laminat-Deckschicht am Partikelschaumkern dienen kann.
  • Die für die Aufnahme des PU-Harzes erforderliche Qualität der offenporigen Struktur des Partikelschaumkernes kann z. B. durch ein Prüfverfahren bestimmt werden, bei dem eine z. B. durch einen Unterdruck bewirkte Luftströmung durch die offenporige Struktur des Partikelschaumkerns geleitet und gemessen wird. Die Größe der Luftströmung bestimmt die Qualität der offenporigen Struktur des Partikelschaumkernes.
  • Zweckmäßigerweise bildet das PU-Harz zumindest in einem randseitigen oder deckschichtnahen Verankerungsbereich des Partikelschaumkerns eine Verankerung für die Laminat-Deckschicht. Jedoch kann auch eine Verankerung durchgehend in dem gesamten Partikelschaumkern erfolgen.
  • In bevorzugter Gestaltung kann die Verankerung des PU-Harzes die Laminat-Deckschicht am Partikelschaumkern lunkerfrei befestigen. Sollte Luft unter der Laminat-Deckschicht eingeschlossen sein, so kann sie bei der Herstellung in die Poren im Partikelschaumkern ausweichen, so dass keine optischen Fehlstellen in der Laminat-Deckschicht gebildet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Partikelschaumkern in seinem Verankerungsbereich oder Randbereich in Verbindung mit dem darin aufgenommenen PU-Harz eine erhöhte Dichte von insbesondere 20 bis 120 kg/m3 und insbesondere von 50 bis 70 kg/m3 aufweist.
  • Zweckmäßigerweise weist der Partikelschaumkern insbesondere in seinem Randbereich oder randseitigen Verankerungsbereich ein Volumenverhältnis von Partikelschaum oder Granulatpartikeln zu Poren des Partikelschaumkerns von etwa 20:1 auf, d. h. der Partikelschaumkern weist einen Porenanteil von etwa 5% auf, wobei auch eine Wert im Bereich von etwa 3 bis 10% für die Herstellung einer geeigneten Verankerungsstruktur bevorzugt ist.
  • Das Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils umfasst die Schritte:
    • a) Herstellen eines Partikelschaumkerns mit offenporiger Struktur aus einem wärmebeständigen Partikelschaum mit einem temperaturstabilen Additiv, wobei der wärmebeständige Partikelschaum ein expandiertes Polystyrol (EPS) oder ein expandiertes Polypropylen (EPP) ist und das temperaturstabile Additiv ein Polyphenylenether (PPE) ist und wobei der Partikelschaum des Partikelschaumkerns offenporig gebildet wird, indem durch Einwirkung von Wasserdampf eine Vielzahl von Granulatpartikel aus thermoplastischem Kunststoff unter Bildung von Poren miteinander thermisch verklebt oder verschmolzen werden,
    • b) Beschichten des Partikelschaumkerns mit einer Laminat-Deckschicht,
    • c) wobei die Laminat-Deckschicht mit dem Partikelschaumkern mittels PU-Harz verbunden wird, und
    • d) wobei durch Einbringen des PU-Harzes in die Poren des Partikelschaumkerns eine Verankerungsstruktur für die Laminat-Deckschicht zumindest in einem deckschichtnahen Verankerungsbereich des Partikelschaumkerns oder durchgehend in dem gesamten Partikelschaumkern hergestellt wird.
  • Dabei wird bei dem Schritt a) die offenporige Struktur durch Einstellen der geeigneten Temperatur des zum Erweichen der Granulatpartikel eingesetzten Wasserdampfes und durch die erforderliche Zeit des Bedampfens der Granulatpartikel hergestellt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 in einer Draufsicht in schematischer Darstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils;
  • 2 in einer Querschnittsansicht in vergrößerter schematischer Darstellung das Verbundbauteil; und
  • 3 in einer Querschnittsansicht einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils.
  • Ein Verbundbauteil 1, z. B. ein Außenteil eines Dachmoduls eines Fahrzeugs, enthält einen Partikelschaumkern 2 (siehe schematische Darstellung in den 1 und 2), der aus einem aus einer Vielzahl einzelner Granulatpartikel 3 gebildeten Partikelschaumstoff oder Partikelschaum hergestellt ist, sowie eine obere Laminat-Deckschicht 4 und eine untere Laminat-Deckschicht 5.
  • Die Granulatpartikel 3 bestehen aus einem expandierbaren EPS/PPE, wobei das Additiv PPE die Temperaturstabilität des Partikelschaumes verbessert. Alternativ können auch andere temperaturbeständige Partikelschäume wie beispielsweise EPP (expandiertes Polypropylen) verwendet werden.
  • Die obere Laminat-Deckschicht 4 wie auch die untere Laminat-Deckschicht 5 bestehen aus glasfaserverstärktem PU-Harz 6, das in einem Formwerkzeug auf den Partikelschaumkern 2 aufgebracht wird. Da PU-Harz 6 auf dem Partikelschaum aus EPS/PPE grundsätzlich schlecht haftet, werden die Granulatpartikel 3 im Formwerkzeug durch Wärmezufuhr, z. B. durch Wasserdampf, derart miteinander thermisch verklebt oder verschmolzen, dass sie zumindest in einem bestimmten Verankerungsbereich 7 von der Außenfläche 8 des Partikelschaumkernes 2 einwärts offenporig verbunden sind, so dass Hohlräume oder Poren 9 zwischen den miteinander verklebten oder verschmolzenen Granulatpartikeln 3 gebildet sind. In 3 ist der Verankerungsbereich 7 beispielhaft angegeben.
  • Beim Aufbringen der jeweiligen Laminat-Deckschicht 4 und 5 dringt das PU-Harz 6 von der Außenfläche des Partikelschaumkernes 2 in die Poren 9 zwischen den verschweißten Granulatpartikeln 3 und füllt diese aus. In den Figuren sind die mit dem PU-Harz 6 gefüllten Poren 9 schwarz dargestellt. Während in den 1 und 2 die Granulatpartikel 3 vereinfacht in etwa kugelförmig dargestellt sind und die dazwischen liegenden Poren 9 über die gesamte Dicke des Verbundbauteils 1 mit PU-Harz 6 gefüllt sind, zeigt die 3 eine obere Schicht eines Verbundbauteils 1 mit einer realistischen Verteilung des PU-Harzes 6 insbesondere in einem Verankerungsbereich 7 von der Laminat-Deckschicht 4 einwärts in den Partikelschaumkern 2. Die Anzahl, Größe und Form der Poren 9 kann von der Außenfläche 8 des Partikelschaumkernes 2 einwärts gleich bleiben oder auch abnehmen und das PU-Harz 6 füllt in Abhängigkeit der gewählten Verfahrens- und Herstellungsbedingungen (insbesondere Temperatur und Zeitdauer) die Poren 9 insbesondere in dem randseitigen Verankerungsbereich 7 und kann nach innen in das Zentrum des Partikelschaumkerns 2 hin abnehmen.
  • In jedem Fall bildet das in den Partikelschaumkern 2 bzw. die Poren 9 eingedrungene PU-Harz 6 nach seiner Verfestigung eine feste hinterschnittige Verankerungsstruktur für die Laminat-Deckschicht 4 bzw. 5. Durch die Offenporigkeit wird sichergestellt, dass jede Laminat-Deckschicht 4 und 5 lunkerfrei an der Außenfläche des Partikelschaumkernes 3 anhaften kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbundbauteil
    2
    Partikelschaumkern
    3
    Granulatpartikel
    4
    Laminat-Deckschicht
    5
    Laminat-Deckschicht
    6
    PU-Harz
    7
    Verankerungsbereich
    8
    Außenfläche
    9
    Pore

Claims (4)

  1. Verbundbauteil eines Fahrzeugs, mit einem Partikelschaumkern und zumindest einer Laminat-Deckschicht, die mittels PU-Harz mit dem Partikelschaumkern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaum des Partikelschaumkerns (2) ein wärmebeständiger Partikelschaum mit einem temperaturstabilen Additiv ist, wobei der wärmebeständige Partikelschaum ein expandiertes Polystyrol (EPS) oder ein expandiertes Polypropylen (EPP) ist und das temperaturstabile Additiv ein Polyphenylenether (PPE) ist, dass der Partikelschaum des Partikelschaumkerns (2) offenporig gebildet ist, indem durch Einwirkung von Wasserdampf eine Vielzahl von Granulatpartikeln (3) aus thermoplastischem Kunststoff unter Bildung von Poren (9) miteinander thermisch verklebt oder verschmolzen sind, und dass das PU-Harz (6) von der Laminat-Deckschicht (4, 5) her in die Poren (9) des Partikelschaumkerns (2) eingedrungen ist und eine Verankerung für die Laminat-Deckschicht (4, 5) zumindest in einem deckschichtnahen Verankerungsbereich (7) des Partikelschaumkerns (2) oder durchgehend in dem gesamten Partikelschaumkern (2) bildet.
  2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaumkern (2) im Verankerungsbereich (7) in Verbindung mit dem PU-Harz (6) eine erhöhte Dichte, insbesondere eine Dichte von 20 bis 120 kg/m3 und besonders bevorzugt von 50 bis 70 kg/m3, aufweist.
  3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaumkern (2) insbesondere im deckschichtnahen Verankerungsbereich (7) ein Volumenverhältnis von Partikelschaum oder Granulatpartikeln (3) des Partikelschaums zu Poren (9) von etwa 20:1 aufweist.
  4. Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die Schritte: a) Herstellen eines Partikelschaumkerns (2) mit offenporiger Struktur aus einem wärmebeständigen Partikelschaum mit einem temperaturstabilen Additiv, wobei der wärmebeständige Partikelschaum ein expandiertes Polystyrol (EPS) oder ein expandiertes Polypropylen (EPP) ist und das temperaturstabile Additiv ein Polyphenylenether (PPE) ist und wobei der Partikelschaum des Partikelschaumkerns (2) offenporig gebildet wird, indem durch Einwirkung von Wasserdampf eine Vielzahl von Granulatpartikeln (3) aus thermoplastischem Kunststoff unter Bildung von Poren (9) miteinander thermisch verklebt oder verschmolzen werden, b) Beschichten des Partikelschaumkerns (2) mit einer Laminat-Deckschicht (4, 5), c) wobei die Laminat-Deckschicht (4, 5) mit dem Partikelschaumkern (2) mittels PU-Harz (6) verbunden wird, und d) wobei durch Einbringen des PU-Harzes (6) in die Poren (9) des Partikelschaumkerns (2) eine Verankerungsstruktur für die Laminat-Deckschicht (4, 5) zumindest in einem deckschichtnahen Verankerungsbereich (7) des Partikelschaumkerns (2) oder durchgehend in dem gesamten Partikelschaumkern (2) hergestellt wird.
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