DE102012017698A1

DE102012017698A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102012017698A1
Application number: DE201210017698
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Parat Beteiligungs GmbH
Current assignee: PARAT TECHNOLOGY GROUP GMBH, DE
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-12-19
Also published as: DE102013005523A1; DE102013008592A1

Abstract

Die Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (17), (25), umfassend folgende Schritte: a) Tiefziehen einer Folie aus Kunststoff unter Bildung eines Tiefziehteiles (13), b) Einlegen des Tiefziehteiles (13) in ein Werkzeugunterteil (12), c) Anbringen eines Dämmelementes (14) an einem Werkzeugoberteil (11), d) Schließen der aus Werkzeugoberteil (11) und Werkzeugunterteil (12) gebildeten Form (10), wobei bei geschlossener Form ein Hohlraum (15) zwischen dem Dämmelement (14) und dem Tiefziehteil (13) verbleibt, e) Einbringen einer aushärtbaren Schaummasse (16) in den Hohlraum (15), f) Aushärten lassen der Schaummasse (16) bei geschlossener Form (10) unter Bildung einer festen Verbindung zwischen Tiefziehteil (13) und Dämmelement (14), g) Öffnen der Form (10) und Entnehmen des so gebildeten Verbundbauteiles (17), (25).

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach Anspruch 1.
Die Anmelderin entwickelt und nutzt Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen seit geraumer Zeit. Beispielsweise nutzt die Anmelderin Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugkarosserie-Bauteilen, bei denen eine zu einem Tiefziehteil geformte Kunststofffolie mit einer Schaummasse hinterschäumt wird. Als Schaummassen werden insbesondere glasfaserverstärkte Polyurethan-Schaummassen, sogenannte 2-Komponenten-Schäume, bezeichnet.
Bekannte Verfahren des Standes der Technik sind beispielsweise in der DE 20 2007 018 064 U1 und der DE 10 2008 002 918 A1 der Anmelderin beschrieben.
Ausgehend von dem bekannt gewordenen Verfahren des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren derartig weiter zu entwickeln, dass hochfeste aber leichtbauende Verbundbauteile herstellbar sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Das Prinzip der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, ein Tiefziehteil zu hinterschäumen, wobei die ausgehärtete Schaummasse die gewünschte Festigkeit für das Verbundbauteil bereit stellt. Die ausgehärtete Schaummasse weist typischerweise eine sehr hohe Dichte auf. Um ein leichtbauendes Verbundbauteil fertigen zu können, wird zusätzlich ein Dämmelement mit eingeschäumt, welches aus einem Material besteht, das eine gegenüber der Dichte der ausgehärteten Schaummasse deutlich reduzierte Dichte aufweist. Dieses Dämmelement kann beispielsweise eine Dichte aufweisen, die etwa eine Größenordnung unterhalb der Dichte der ausgehärteten Schaummasse liegt.
Das Dämmelement mit einer nur geringen Dichte kann hervorragende Dämmeigenschaften beispielsweise in akustischer oder/und in thermischer Hinsicht aufweisen. Hierdurch können Verbundbauteile gefertigt werden, die besondere Wärmedamm-Eigenschaften und/oder besondere akustische Dämmeigenschaften aufweisen.
Gemäß der Erfindung wird zunächst eine Kunststofffolie unter Bildung eines Tiefziehteiles tief gezogen. Als Folie wird ein entlang einer Ebene ausgerichtetes folienartiges Element bezeichnet, welches in einem gesonderten Werkzeug in eine beliebige dreidimensionale Form gebracht wird. Die Folie wird hierzu insbesondere thermoplastisch verformt, das heißt, unter Wärmeeinwirkung an eine vorgegebene dreidimensionale Form oder Kontur eines Werkzeugs angepasst. Beispielsweise kann ein solcher thermoplastischer Umformprozess unter Erhitzung einer Folie und Druckluft-Zugabe oder unter Erzeugung eines Vakuums erfolgen, um die erwärmte und damit formbare Folie gegen die vorgegebene Werkzeugform zu drücken und ihr auf diese Weise die Topographie der Werkzeugform zwangsweise aufzuerlegen. Nach dem Erkalten der Folie behält die nunmehr als Tiefziehteil bezeichenbare Folie ihre Form dauerhaft bei.
Derartige Verfahren zum Tiefziehen einer Folie und zur Bildung eines Tiefziehteils sind im Stand der Technik als thermoplastische Verformungsverfahren oder Vakuum-Verformungsverfahren bekannt.
Im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung kann eine Tiefziehfolie oder ein daraus gebildetes Tiefziehteil eine Wandstärke in der Größenordnung von 0,5 bis 13 mm, vorzugsweise von 2 bis 3 mm, aufweisen.
Die Tiefziehfolie bzw. das später gebildete Tiefziehteil kann beispielsweise aus ABS/PMMA bestehen. Vorzugsweise ist die Folie bzw. das daraus gebildete Tiefziehteil selbst aus mehreren Schichten aufgebaut, wird aber als einstückiges Element in Verkehr gebracht und als solches tiefgezogen. Die Folie kann beispielsweise aus einer durchsichtigen oder ggf. eingefärbten PMMA-Schicht bestehen, die besonders kratzfest ist. Daran schließt sich zum Beispiel eine Schicht aus eingefärbtem PMMA an, nachfolgend eine gefärbte hochwertige ABS-Schicht, daran anschließend eine aus recyceltem ABS bestehende Schicht, und dann ggf. noch eine weitere Schicht.
Gemäß der Erfindung wird das so gebildete Tiefziehteil in ein Werkzeugunterteil eingelegt. Insbesondere wird das Tiefziehteil in das Werkzeugunterteil negativ einlegt, was bedeutet, dass diejenige Seite des Tiefziehteils, welches im fertig gestellten Zustand des Verbundbauteils dessen äußere Seite bereit stellt, nach unten gerichtet in das Werkzeugunterteil eingelegt wird.
Das Tiefziehteil weist bereits eine Topographie auf, das heißt, eine Formgebung der Oberfläche, die der Topographie des zu bildenden Verbundbauteiles entspricht. Gleichermaßen weist das Werkzeugunterteil, in welches das Tiefziehteil eingelegt wird, eine Innenkontur (Topographie) auf, die im Wesentlichen der Außenkontur (Topographie) des Tiefziehteils entspricht.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass an einem Werkzeugoberteil ein Dämmelement angebracht wird. Das Dämmelement wird beispielsweise an dem Werkzeugoberteil befestigt oder jedenfalls derartig montiert, dass es während der Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteiles, insbesondere während des nachfolgend beschriebenen Schrittes des Aushärtenlassens der Schaummasse, eine definierte Position einnimmt.
Das Dämmelement ist insbesondere ein flächiges oder flächenhaftes Element, welches aus einem leichten Material, wie beispielsweise Polystyrol, oder einem anderen expandierten Schaumstoff (Markenname beispielsweise Styropor), oder einem anderen leichtbauenden, zur Wärmedämmung geeigneten Plattenmaterial, beispielsweise auch aus Polyurethan, besteht. Das Entscheidende ist, dass das Dämmelement aus einem leichtbauenden Material besteht, das heißt, aus einem Material, welches nur eine geringe Dichte aufweist, aber die gewünschten Dämmeigenschaften, entweder in thermischer Hinsicht und/oder in akustischer Hinsicht bereit stellt.
Als Material für das Dämmelement kommen insbesondere herkömmlich eingesetzte Materialen in Betracht, wie beispielsweise extrudiertes Polystyrol, Polyethylenterephthalat, Polyurethanisocyanurate oder Polyisocyanurate. Derartige Materialien sind beispielsweise im Modell- oder Schiffsbau, dort aber für andere Zwecke, bekannt.
Das Dämmelement kann beispielsweise eine Wandstärke zwischen 3 mm und 30 mm aufweisen. Beispielsweise kann es sich um ein Leichtschaum-Material handeln, also um ein Material, welches im Sinne der Patentanmeldung eine Dichte von weniger als 0,1 kg/dm aufweist. Es handelt sich mithin um ein Material, welches deutlich leichter ist, als die ausgehärtete Schaummasse.
Gemäß der Erfindung wird nach dem Anbringen des Dämmelementes an dem Werkzeugoberteil die Form geschlossen. Die Form besteht aus einem Werkzeugoberteil und einem Werkzeugunterteil, und kann ggf. auch noch weitere Werkzeugteile (z. B.
Werkzeugseitenteile) aufweisen. Wenn die Form geschlossen ist, und Werkzeugoberteil zu Werkzeugunterteil relativ zueinander in der gewünschten, endgültigen Weise positioniert sind, verbleibt zwischen dem Dämmelement und dem Tiefziehteil ein Hohlraum. Dieser Hohlraum dient später dazu, von der aushärtbaren Schaummasse ausgefüllt zu werden.
Erfindungsgemäß wird nach dem Schließen der Form eine aushärtbare Schaummasse in den Hohlraum eingebracht. Die aushärtbare Schaummasse besteht insbesondere aus glasfaserverstärktem Polyurethan, weiter vorteilhaft mit einem Glasfaseranteil von etwa 10 bis 40%, vorteilhafterweise bei etwa 25%.
Die Schaummasse kann in flüssiger Form in die Form eingebracht werden und härtet dann, bei geschlossener Form, schnell aus.
Von der Erfindung ist umfasst, dass zunächst die Form geschlossen wird, und dann die aushärtbare Schaummasse in die Form bzw. in den Hohlraum eingebracht wird, und die Form während des Aushärtens geschlossen bleibt.
Von der Erfindung ist aber auch ein Verfahren umfasst, bei dem die flüssige, aushärtbare Schaummasse zunächst bei noch geöffneter Form in den Hohlraum eingebracht wird, das heißt beispielsweise in das Werkzeugunterteil oder in das darin eingelegte Tiefziehteil eingebracht wird, und unmittelbar darauf das Werkzeugoberteil zum Zwecke des Schließens der Form an das Werkzeugunterteil heran bewegt wird, und so die Form geschlossen wird.
Anders ausgedrückt genügt der Erfindung, wenn erst beim Aufschäumen der Schaummasse, also zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Volumenvergrößerung des Schaums infolge des Aufschäumens eintritt, die Form geschlossen worden ist.
Das Einbringen der aushärtbaren Schaummasse in das Werkzeug oder allgemeiner gesprochen in das Tiefziehteil zum Zwecke des Hinterschäumens des Tiefziehteils kann in herkömmlicher Weise manuell oder unter Zuhilfenahme eines Roboters erfolgen, wie in den Eingangs beschriebenen Schutzrechten der Anmelderin offenbart.
Erfindungsgemäß härtet die Schaummasse bei geschlossener Form aus. Dies kann beispielsweise auch unter einer entsprechenden Temperatureinwirkung erfolgen. Sobald die Schaummasse ausgehärtet ist, kann die Form geöffnet werden, das heißt, Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil können relativ zueinander auseinander bewegt werden. Sodann kann das gebildete Verbundbauteil entnommen werden. Das Verbundbauteil umfasst das Tiefziehteil, das Dämmelement und die diese beiden Elemente miteinander dauerhaft und fest verbindende, ausgehärtete Schaummasse.
Das so gebildete Verbundbauteil kann bei geringem Gesamtgewicht die gewünschten Dämmeigenschaften bereit stellen und erfüllt auch die Erfordernisse in mechanischer Hinsicht.
Der auszufüllende Hohlraum bzw. die zwischen Dämmelement und Tiefziehteil befindliche ausgehärtete Schaummasse kann eine Wandstärke zwischen 1 mm und 30 mm, vorteilhafterweise zwischen 3 mm und 15 mm, weiter vorteilhafterweise zwischen 4 mm und 10 mm, weiter vorteilhafterweise zwischen 5 mm und 9 mm, aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Tiefziehteil eine von einer Ebene abweichende Topographie auf. Das Tiefziehteil kann jede beliebige, dreidimensionale Außenkontur aufweisen und kann beispielsweise Wölbungen, Dome, Einbuchtungen und flächige Abschnitte aufweisen. Diese aufgezählten unterschiedlichen Bereiche können bei dem fertig gestellten Verbundbauteil zum Beispiel unterschiedliche Funktionsbereiche darstellen, oder aufgrund gewünschter gestalterischer Überlegungen heraus an dem zu fertigenden Verbundbauteil vorgesehen sein.
Vorteilhaft kann das Dämmelement eine an die Topographie des Tiefziehteils angepasste Topographie aufweisen. Für den Fall, dass das Dämmelement nur im Bereich eines Abschnittes des Tiefziehteils oder innerhalb eines flächigen Bereiches des Tiefziehteils angeordnet wird, reicht es im Sinne dieser vorteilhaften Maßnahme aus, wenn das Dämmelement eine Topographie aufweist, die an die Topographie des Tiefziehteils entlang dieses Bereiches oder Abschnittes des Tiefziehteils angepasst ist.
Um ein preiswertes und kommerziell verfügbares Dämmelement nutzen zu können und dieses individuell an unterschiedliche Topographien unterschiedlicher Tiefziehteile anpassen zu können, kann vorteilhafterweise ein Dämmelement verwendet werden, welches in Plattenform vorliegt und Einschnitte aufweist. Hierbei können beispielsweise entlang einem regelmäßigen Raster oder Muster Einschnitte vorgenommen werden, die es ermöglichen, kleine flächige Abschnitte des Dämmelementes relativ zu benachbarten kleinen, flächigen Abschnitten des Dämmelementes zu verlagern, so dass aus einem ebenen, plattenförmigen Dämmelement ein mit einer beliebigen Topographie ausgestaltetes Dämmelement bereit gestellt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Dämmelement eine Dichte von weniger als 0,1 kg/dm³ auf und besteht aus einem entsprechenden Leichtschaum. Demgegenüber kann die ausgehärtete Schaummasse beispielsweise eine Dichte in der Größenordnung von mehr als 0,1 kg/dm³ aufweisen, insbesondere von mehr als 0,2 kg/dm³, weiter insbesondere von mehr als 0,3 kg/dm³, weiter insbesondere in der Größenordnung von etwa 0,4 kg/dm³.
Durch diese Kombination einer ersten Schicht aus aushärtbarer Schaummasse mit einer sehr hohen Dichte, die eine entsprechende mechanische Festigkeit bereitstellt, mit einer zweiten Schicht, nämlich einem voluminösen, aus Leichtschaum bestehenden Dämmelement, können die gewünschten mechanischen und Dämmeigenschaften des Verbundbauteils in optimaler Weise erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Dämmelement von einer herkömmlichen 3D-Core-Dämmplatte gebildet sein. Hierbei handelt es sich um eine kommerziell erhältliche Dämmplatte, welche beispielsweise von der Extended Structured Composites GmbH & Co. KG in 32051 Herford, bezogen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Dämmelement eine Wandstärke zwischen 3 mm und 30 mm auf, insbesondere zwischen 4 und 15 mm, weiter insbesondere zwischen 5 mm und 12 mm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die aushärtbare Schaummasse glasfaserverstärktes Polyurethan auf, oder besteht aus glasfaserverstärktem Polyurethan. Vorteilhafterweise ist ein Glasfaseranteil von mehr als 10% vorgesehen, weiter vorteilhafterweise ein Glasfaseranteil von mehr als 20%, weiter vorteilhafterweise ein Glasfaseranteil von etwa 25%.
Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Verbundbauteil nach Anspruch 8.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte und eingangs beschriebene Verbundbauteil derartig weiter zu entwickeln, dass es bei hohen Anforderungen an mechanische Stabilität und bei guten Dämmeigenschaften in thermischer und/oder in akustischer Hinsicht nur ein geringes Gewicht aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 8.
Bezüglich der Vorteile dieser Erfindung, ihren Merkmalen und des Zusammenwirkens ihrer Merkmale kann auf die Ausführungen zu den vorherigen, auf ein Verfahren gerichteten Ansprüchen, verwiesen werden.
Das Verbundbauteil weist zumindest drei verschiedene Schichten auf, nämlich eine Kunststoffschicht, eine ausgehärtete Schicht aus glasfaserverstärktem Polyurethan und eine Schicht aus Leichtstoffschaum mit einer Dichte von weniger als 0,1 kg/dm³.
Die Kunststoffschicht weist eine Außenseite auf, die im Falle eines Einsatzes des Verbundbauteils als Karosseriebauteil die Außenseite der Karosserie bereitstellt. Die Innenseite der Kunststoffschicht ist in Kontakt mit der ausgehärteten Schicht aus Polyurethan, die die Kunststoffschicht (also das Tiefziehteil) mit dem Dämmelement (also mit der Schicht aus Leichtschaum) verbindet.
Als Leichtschaum wird im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung jedes geeignete Material mit einer geringen Dichte, insbesondere mit einer Dichte von weniger als 0,1 kg/dm³ bezeichnet.
Als Kunststoffschicht kommen alle Materialien und Elemente in Betracht, die zuvor bei der Beschreibung der Tiefziehteile erwähnt worden sind.
Als Material für die ausgehärtete Schicht kommen sämtliche Materialien in Betracht, die oben als aushärtbare Schaummasse bezeichnet worden sind. Als Schicht aus Leichtschaum kommt jedes für ein Dämmelement im Sinne der vorigen Ansprüche beschriebenes Material in Betracht.
Vorteilhafterweise kann das Verbundbauteil ein Karosseriebauteil für Fahrzeuge ausbilden, beispielsweise ein Karosseriebauteil für einen Caravan. Hierfür kann eine Tiefziehfolie großflächig hinterschäumt werden und beispielsweise nur entlang eines bestimmten, vorgegebenen Bereiches mit einem Dämmelement aus Leichtschaum versehen werden, wobei das Dämmelement mit angeschäumt wird, um insgesamt das Gewicht des Verbundbauteils gering zu halten.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Einsatz des erfindungsgemäßen Verbundbauteils ist als Gehäuseverkleidungselement vorgesehen, insbesondere für eine Wärmepumpe. Wärmepumpen verursachen bekanntlich eine nicht zu unterschätzende Geräuschentwicklung, so dass es hier von Vorteil ist, wenn die Gehäuseteile der Wärmepumpe eine gute schallisolierende Eigenschaft aufweisen. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ist für diese Zwecke hervorragend geeignet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nichtzitierten Unteransprüchen, sowie anhand der nun folgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Darin zeigen:
1 in einer schematischen teilgeschnittenen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils in Form eines Bug-Verkleidungsteils eines Caravan-Anhängers in Innenansicht,
2 das Ausführungsbeispiel der 1 in einer teilgeschnittenen Ansicht etwa entlang der Schnittlinie II-II in 1,
3 eine Teilansicht des Verbundbauteils in vergrößerter Darstellung etwa gemäß Teilkreis III in 2,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Dämmelementes zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die linke Seite der 4 beispielhaft kreuzschraffur-artige Einschnitte und die rechte Seite der 4 wabenartige Einschnitte verdeutlichen soll,
5 in einer teilgeschnitten schematischen Ansicht eine geöffnete Werkzeugform mit einem Werkzeugoberteil mit daran befestigtem Dämmelement und ein Werkzeugunterteil mit darin eingelegtem Tiefziehteil zur Verwendung in einem erfindunsgemäßen Herstellungsverfahren,
6 die Werkzeugform der 5 in geschlossenem Zustand mit darin eingebrachter, ausgehärteter Schaummasse,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, nach dem Öffnen der Werkzeugform der 6 und dem Entnehmen des Verbundbauteils aus der Werkzeugform,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils in einer Darstellung gemäß 7,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils in einer Darstellung gemäß 7, und
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils in einer Darstellung gemäß 9.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Verbundbauteile sind nachfolgend in den Figuren im Detail beschrieben. Bezüglich der Figurenbeschreibung sei angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber und zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche oder miteinander vergleichbare Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen, teilweise unter Hinzufügung kleiner Buchstaben bezeichnet sind.
5 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Werkzeug, welches auch als Werkzeugform bezeichenbar ist. Das Werkzeug umfasst ein Oberteil 11 und ein Unterteil 12. Bei dem Ausführungsbeispiel in den 5 bis 8 ist der Einfachheit halber angenommen worden, dass das Werkzeugoberteil von einer im Wesentlichen ebenen Platte 11 gebildet ist, und das Werkzeugunterteil 12 eine Schalenform aufweist. Das Werkzeugoberteil 11 fungiert sozusagen als Deckel für das Werkzeugunterteil 12.
Bereits jetzt sei allerdings darauf hingewiesen, dass sowohl das Werkzeugoberteil 11 also auch das Werkzeugunterteil 12 eine völlig beliebige Topographie aufweisen können, um entsprechend der vorgegebenen Topographie des zu fertigenden Verbundbauteils eine entsprechende Formgebung des Verbundbauteils zu ermöglichen.
Ausweislich 5 ist in das Werkzeugunterteil 12 bereits ein Tiefziehteil 13 eingelegt oder eingesetzt worden. Das Tiefziehteil 13 besteht aus einer tiefgezogenen Kunststofffolie. Die Kunststofffolie wurde zuvor an einer in den Figuren nicht dargestellten anderen Arbeitsstation, also an einem anderen Werkzeug, tief gezogen. Hierzu wird die Tiefziehfolie beispielsweise thermoplastisch verformt.
Die Tiefziehfolie kann, wie bereits eingangs beschrieben, aus einer oder aus mehreren Lagen Kunststoff bestehen. Typischerweise werden heutzutage Tiefziehfolien aus einem mehrlagigen Aufbau gefertigt, der beispielsweise fünf unterschiedliche Lagen unterschiedlicher Kunststoffe mit unterschiedlichen Qualitäten aufweisen kann. Typischerweise werden Tiefziehfolien derart gefertigt, dass eine durchsichtige oder ggf. eingefärbte hochwertige PMMA-Schicht vorgesehen ist, die später eine besonders kratzfeste und eine hohe UV-Beständigkeit gewährleistende Außenfläche des zu fertigenden Verbundbauteils darstellt. Darunter, also bezogen auf die Geometrie des zu fertigenden Verbundbauteils weiter innen, befindet sich eine gefärbte hochwertige ABS-Schicht. Weiter innen ist eine weitere ABS-Schicht aus recyceltem ABS-Material angeordnet, die preiswertere Kunststoff-Ausgangsmaterialien verwendet. Zusätzlich können noch weitere Schichten vorgesehen sein.
Als Tiefziehfolien im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung werden alle tiefziehbaren, aus Kunststoff bestehenden Folien, bezeichnet, die eine Wandstärke zwischen 0,5 mm und 13 mm aufweisen.
Zum Tiefziehen der Tiefziehfolie wird diese typischerweise erwärmt und unter Luftdruck oder Vakuum gegen eine Werkzeugkontur gezogen, geblasen oder gedrückt. Auf diese Weise legt sich die erhitzte Folie an die Kontur des Werkzeugs an und nimmt nach dem Erkalten dessen Form an. Nach dem Herstellen dieser 3D-Kontur wird die Folie als Tiefziehteil bezeichnet.
Das Tiefziehteil wird aus der nicht dargestellten Tiefzieh-Arbeitsstation entnommen, ggf. zwischengelagert, und steht nun zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für ein Verbundbauteil zur Verfügung.
5 zeigt ein derart gefertigtes Tiefziehteil 13, welches bereits in das Werkzeugunterteil 12 eingelegt ist. Die Topographie des Werkzeugunterteils entspricht insoweit der Topographie des Tiefziehteils. Als Topographie wird in der vorliegenden Patentanmeldung die dreidimensionale Oberflächengestaltung eines Elementes bezeichnet.
5 zeigt des weiteren das Werkzeugoberteil 11, an dem ein Dämmelement 14 positioniert ist. Das Dämmelement 14 kann vorteilhafterweise auf nicht dargestellte Weise an dem Werkzeugoberteil 11 befestigt sein, oder jedenfalls derartig montiert oder angeordnet sein, dass es während des nachfolgend beschriebenen Schaumprozesses seine Position relativ zum Werkzeugoberteil 11 sicher beibehält.
5 zeigt das Werkzeug 10 in geöffnetem Zustand, wohingegen 6 das Werkzeug 10 in geschlossenem Zustand zeigt. Im geschlossenen Zustand sind Werkzeugoberteil 11 und Werkzeugunterteil 12 aufeinander zu bewegt worden.
6 zeigt, das bei geschlossenem Werkzeug, in einem Zustand also, in dem das Werkzeugoberteil 11 an die Randabschnitte 18a und 18b des Tiefziehteils 13 angelegt ist oder gegenüberliegenden Randabschnitten des Werkzeugunterteils 12 unmittelbar benachbart ist, die bezüglich 6 untere Seite des Dämmelementes 14 von der bezüglich 6 oberen Seite des Tiefziehteils 13 beabstandet ist. Es bildet sich hier demnach ein Hohlraum 15, der zur Aufnahme einer nachfolgend beschriebenen aushärtbaren Schaummasse 16 dient.
Die aushärtbare Schaummasse 16 ist insbesondere ein Polyurethanschaum mit einem hohen Glasfaseranteil von beispielsweise 25%. Es handelt sich dabei um eine in das Tiefziehteil 13 einbringbare Schaummasse, die beispielsweise von einem Verteilerkopf eingebracht und großflächig verteilt werden kann. Nach dem Einbringen, insbesondere wenn die beiden chemischen Komponenten des Polyurethanschaums miteinander regieren, härtet die Schaummasse 16 unter Volumenvergrößerung aus.
Wichtig ist, dass die Werkzeugform 10 während des Aufschäumens geschlossen gehalten wird. Hierzu kann die aushärtbare Schaummasse 16 in flüssigem Zustand entweder bei geöffneter Form 10, wie in 5 dargestellt, zum Beispiel entlang des Pfeiles P in den Hohlraum 15 eingebracht werden und sodann, unmittelbar danach, die Werkzeugform 10 geschlossen werden. Alternativ ist es möglich, dass eine Einbringung der aushärtbaren Schaummasse 16 durch eine nicht dargestellte Zugangsöffnung oder durch einen Kanal unmittelbar in die bereits geschlossene Werkzeugform 10 hinein erfolgt.
Insbesondere dann, wenn besonders großflächige Tiefziehteile hinterschäumt werden, wird allerdings typischerweise das entsprechend große Volumen an aushärtbarer Schaummasse 16 mit einem Verteilerkopf, einem sogenannten Roboterkopf, zunächst entlang der gesamten Innenseite des Tiefziehteiles verteilt und erst nach der vollständigen Verteilung der Schaummasse 16 wird die Form geschlossen. Insbesondere bei solchen großflächigen zu hinterschäumenden Tiefziehteilen 13 muss insoweit eine Zugänglichkeit der mit aushärtbarer Schaummasse 16 zu beaufschlagenden Flächenbereiche des Tiefziehteils durch einen Roboterkopf gegeben sein, so dass es – je nach flächiger Ausdehnung des Tiefziehteils – erforderlich ist, dass der Roboterkopf oder Verteilerkopf in den Hohlraum hinein ragen oder an diesen herangebracht werden kann.
Entscheidend ist, dass das Dämmelement 14 während des Aufschäumens der Schaummasse 16 beabstandet von dem Tiefziehteil 13 positioniert gehalten wird.
Nach dem Aushärten der aushärtbaren Schaummasse 16 ist das Tiefziehteil 13 mit dem Dämmelement 14 dauerhaft und fest verbunden. Die ausgehärtete Schaummasse 16 versteift das Tiefziehteil 13 und ermöglicht so die gewünschte Formfestigkeit des Verbundbauteils. Diese hohe Festigkeit wird allerdings erreicht auf Kosten einer großen Dichte. Die ausgehärtete Schaummasse weist insbesondere Dichten in der Größenordnung von 0,4 kg/dm³ auf.
Das mit eingeschäumte Dämmelement 14 besteht hingegen aus einem sehr viel leichteren Schaummstoff, beispielsweise aus Polystyrol. Dieses weist beispielsweise eine Dichte auf, die um Größenordnungen geringer sein kann, als die Dichte der ausgehärteten Schaummasse. Beispielsweise kann unter Verwendung eines Dämmelementes 14 aus PU-Hartschaum eine Dichte in der Größenordnung von 0,08 kg/dm³ erreicht werden, also etwa 1/5 der Dichte der ausgehärteten Schaummasse 16. Dennoch kann das Dämmelement 14 – bei geringer Dichte – für eine optimale Dämmung sorgen, entweder in thermischer Hinsicht und/oder in akustischer Hinsicht.
Das erfindungsgemäß aus diesen unterschiedlichen Materialien zusammengesetzte Verbundbauteil ermöglicht insoweit bei gleich bleibenden Dämmeigenschaften eine erhebliche Gewichtsreduzierung.
Die Wandstärke W1 des Dämmelementes 14 kann beispielsweise in der Größenordnung zwischen 1 mm und 30 mm liegen, vorzugsweise in der Größenordnung von 5 mm bis 15 mm.
Die Wandstärke W2 der ausgehärteten Schaummasse 16 kann beispielsweise in der Größenordnung von 3 mm bis 30 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 10 mm liegen.
Die Wandstärke W3 des Tiefziehteils 13 kann in der Größenordnung von 0,5 mm bis 13 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm liegen.
7 verdeutlicht, dass das Dämmelement 14 derartig dimensioniert sein kann, dass es sich im Wesentlichen entlang der gesamten flächigen Ausstreckung des Tiefziehteils 13 erstrecken kann.
Dem gegenüber macht das Ausführungsbeispiel der 8 deutlich, dass das Dämmelement 14 eine Breitenerstreckung B1 aufweisen kann, die deutlich geringer ist als die Breitenerstreckung B2 des Tiefziehteils 13.
Anders ausgedrückt, sind von der Erfindung insbesondere auch Ausführungsbeispiele erfasst, bei denen Dämmelemente 14 nur entlang von Teilbereichen der gesamten flächigen Erstreckung eines Tiefziehteils 13 angeordnet sind.
8 macht darüber hinaus deutlich, dass die ausgehärtete Schaummasse 16 auch Seitenbereiche 27a, 27b des Dämmelementes 14 mit überdecken oder einfassen kann.
Schließlich sei angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen der 7 und 8 an dem Tiefziehteil jeweils Randabschnitte 18a, 18b gezeigt sind, die nicht von ausgehärteter Schaummasse übergriffen werden. Derartige Randabschnitte 18a, 18b müssen freilich nicht vorgesehen sein, sondern können beispielsweise auch in einem weiteren Bearbeitungsschritt abgetrennt werden.
Unter Bezugnahme zunächst auf die linke Hälfte der 4 sei nun darauf hingewiesen, dass das Dämmelement 14 beispielsweise von einer mit Einschnitten versehenen Dämmplatte gebildet sein kann. Hierzu können beispielsweise in einer Dämmplatte 14 Längsschnitte 19a, 19b, 19c usw. sowie Querschnitte 20a, 20b, 20c vorgenommen sein, die ein kreuzlinienförmiges Raster ergeben.
5 zeigt in einer Schnittdarstellung eines Schnittes entlang der Schnittlinie V-V in 4 durch das Dämmelement 14 die entstandenen Schnittausnehmungen 19a, 19b, 19c. Durch die vorgenommenen Einschneidungen 19a, 19b, 19c ist das Dämmelement 14 flexibel, dreidimensional formbar, und kann jede beliebige Topographie einnehmen.
Unter der Annahme, dass das Tiefziehteil 13 eine von einer Ebene abweichende Topographie aufweist, wie beispielsweise das Ausführungsbeispiel der 9 mit einer gekrümmten Topographie der Außenfläche 23 des Tiefziehteils 13, kann das Dämmelement 14 dieser Topographie folgen und selbst eine von einer Ebene abweichende Raumform einnehmen. Die vorgenommenen Einschnitte ermöglichen eine entsprechende Flexibilität.
Zudem kann in die Schnittausnehmungen 19a, 19b, 19c die aushärtbare Schaummasse 16 beim Aufschäumen eindringen und für einen besonders guten Halt des Dämmelementes 14 an der ausgehärteten Schaummasse 16 sorgen. Die 6 bis 8 und 10 deuten an, dass die aushärtbare Schaummasse 16 in die Schnittausnehmungen 19a, 19b, 19c eingedrungen ist.
Wie das ebenfalls sehr schematisch angedeutete Ausführungsbeispiel der 10 verdeutlicht, kann auch eine bezogen auf 9 entgegen gesetzte Krümmungsrichtung vorgesehen sein. Von der Erfindung sind auch umfasst weitere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele, bei denen unterschiedliche Bereiche oder Abschnitte eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils 17 unterschiedlich orientierte Krümmungen und/oder unterschiedlich große Krümmungsradien aufweisen. Es ist jede beliebige dreidimensionale Topographie des Verbundbauteils denkbar.
In den Figuren nicht dargestellt ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Schnittausnehmungen 19a, 19b, 19c als Durchgangskanäle ausgestaltet sind, so dass die aushärtbare Schaummasse 16 durch die Kanäle hindurch auch an die bezüglich 6 obere Seite des Dämmelementes 14 gelangen kann und das Dämmelement sozusagen hintergreifen kann.
Die Ausführungsbeispiele der 5 bis 8 zeigen ausschließlich Dämmelemente 14, bei denen die Einschnitte 19a, 19b, 19c nur derartig tief vorgenommen worden sind, dass noch ein Zusammenhaltbereich 22 verbleibt, der eine Handhabungseinheit des Dämmelementes 14 gewährleistet.
Während die linke Hälfte der 4 ein Ausführungsbeispiel eines Dämmelementes 14 andeutet, bei dem ein Kreuzlinienraster von Einschnitten vorgesehen ist, deutet die rechte Hälfte der 4 ein Muster wabenförmiger Einschnitte an. Hier sind jeweils 2 benachbarte Waben 21a, 21b relativ zueinander flexibel verbunden, wobei die wabenförmigen Einschnitte gleichermaßen eine dreidimensionale Formbarkeit des Dämmelementes 14 ermöglichen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteile gemäß der 7, 8, 9 und 10 weisen jeweils eine Außenseite 23, 23a auf, und eine Innenseite 24, 24a. Die Innenseite 24, 24a des jeweiligen Verbundbauteils 17 kann – je nach Anwendung – unmittelbar, zumindest bereichsweise, von der entsprechenden Oberfläche 24, 24a des Dämmelementes 14 bereit gestellt werden.
Die Außenseite 23, 23a des entsprechenden Verbundbauteils 17 ist in der Regel besonders hochwertig, zum Beispiel kratzfest, witterungsbeständig und/oder UV-beständig ausgebildet, und gewährleistet jedenfalls die Erfüllung der an das Verbundbauteil gestellten Anforderungen. Für den Fall eines Einsatzes des Verbundbauteils als Fahrzeugkarosserieteil ist es beispielsweise besonders wichtig, dass die Außenseite kratzfest ausgestaltet ist.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 soll schließlich noch beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 17 in Form eines Bugteils 25 eines Caravan-Anhängers beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 2, die eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie II-II zeigt, sei zunächst verdeutlicht, dass es sich bei diesem Bugteil um das vordere Bugteil eines Caravan-Anhängers handelt, der an ein in Fahrtrichtung X fahrendes Schlepperfahrzeug angehängt ist. Man erkennt am unteren Ende der 2 einen Anbindungsbereich, mit dem das Bugteil 25 entweder mit anderen Bauelementen oder unmittelbar mit dem Chassis des Caravan-Anhängers verbunden wird. Der obere rechte Bereich der 2 stellt den Übergangsbereich des Seitenwand-Elementes hin zur Dachwand dar. Der nicht dargestellte Caravan-Anhänger erstreckt sich bezüglich 2 weiter nach rechts.
1 zeigt eine Innenansicht des Bugteils 25, also unter Bezugnahme auf 3 etwa eine Ansicht gemäß Ansichtspfeil I.
Das Bugteil 25 gemäß 1 weist eine Breite Q auf, die im Wesentlichen der Fahrzeugbreite des Caravans an seinem Bug entspricht, und eine Höhe H, die – je nach Konstruktion des Caravans, beispielsweise der Aufbauhöhe des Caravans, gerechnet vom Chassis aus nach oben – entsprechen kann. Beispielsweise kann das Bugteil 25 grob geschätzt Abmessungen von 1 × 2 m aufweisen, wobei diese Angaben lediglich beispielhaft zu verstehen sind.
Das gesamte Bugteil 25 ist ein einziges einstückiges Tiefziehteil 13, welches zahlreiche unterschiedliche Funktionsbereiche aufweist und eine Vielzahl von Erhebungen, Rücksprüngen, Domen etc. umfasst. Lediglich beispielhaft sei darauf hingewiesen, dass die mit 26a, 26b und 26c bezeichneten Einstülpungen Befestigungsstellen für Regale, also Innenausbauteile des Caravans, bereitstellen sollen.
Im unteren mittigen Bereich weist das Bugteil 25 einen flächigen Bereich auf, der nahezu funktionsflächenfrei ausgestaltet ist und jedenfalls mit wenigen abrupten Richtungsänderungen auf der Oberfläche des Tiefziehteils 13 versehen ist. In diesem Bereich ist ein Dämmelement 14 angeordnet, welches im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und eine Länge L1 und eine Breite B1 aufweist.
Das gesamte Tiefziehteil 13 kann auf der Innenseite 24 von einer aushärtbaren Schaummasse 16 hinterschäumt sein, um die erforderliche Formfestigkeit des Bugteils 25 zu erreichen.
Um gegenüber herkömmlichen Bugteilen eine Gewichtsersparnis zu erzielen, ohne die Dämmeigenschaften zu beeinträchtigen, ist ein Dämmelement 14 vorgesehen, welches großflächig ausgebildet ist und unmittelbar mit eingeschäumt worden ist. Da das Dämmelement 14 eine geringere Dichte aufweist als die ausgehärtete Schaummasse, kann hier unter Verzicht auf Schaummassen-Mengen bei gleichbleibender Dämmeigenschaft eine Gewichtsreduktion des Bugteils 25 erreicht werden.
1 zeigt ein Bugteil 25 als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Verbundbauteils, mit nur einem Dämmelement 14. Von der Erfindung umfasst sind auch solche Verbundbauteile, bei denen an einem Tiefziehteil 13 mehrere Dämmelemente 14 mit angeschäumt sind. Beispielsweise bietet es sich bei dem Bugteil 25 gemäß 1 an, auch noch die oberen, mit BR₁ bezeichneten Bereiche, oder die im Bereich der unteren Ecken liegenden, mit BR₂ bezeichneten Bereiche ebenfalls mit entsprechenden, gesonderten Dämmelementen 14 zu versehen, um noch eine weitere Gewichtsersparnis zu erzielen.
Schließlich soll noch erwähnt werden, dass ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 17, 25 zusätzlich zu den drei beschriebenen Schichten ggf. auch noch weitere Schichten aufweisen kann. So kann beispielsweise die Einbringung der aushärtbaren Schaummasse 16 wie beispielsweise in der DE 20 2007 018 064 U1 beschrieben, in mehreren Schritten, unter Bildung mehrerer Schichten erfolgen. Schließlich können in das Verbundbauteil 17, 25 gemäß der Erfindung auch noch weitere Elemente mit eingeschäumt sein, wie beispielsweise Verbindungselemente, wie in der DE 20 2007 018 064 U1 beschrieben, oder Verstärkungseinlagen, wie beispielsweise in der DE 10 2008 002 918 A1 beschrieben. Weiter sei angemerkt, dass ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil schließlich auch noch weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen werden kann, wie beispielsweise dem Ausfräsen oder Abtrennen von Randbereichen oder dem Einfräsen von Schlitzen, beispielsweise zum Zwecke der Befestigung weiterer Elemente.
Bezüglich der zu verwendenden Materialien, deren mechanischer Eigenschaften sowie auch bezüglich weiterer Vorteile, Anwendungszwecke und Möglichkeiten wird auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2008 002 918 A1 und DE 20 2007 018 064 U1 verwiesen, der hiermit, auch zum Zwecke der Bezugnahme auf einzelne Merkmale, als erfindungsgemäßer Bestandteil dieser Erfindung in Bezug genommen und in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung mit eingeschlossen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007018064 U1 [0003, 0105, 0105, 0106]
DE 102008002918 A1 [0003, 0105, 0106]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (17), (25), umfassend folgende Schritte: a) Tiefziehen einer Folie aus Kunststoff unter Bildung eines Tiefziehteiles (13), b) Einlegen des Tiefziehteiles (13) in ein Werkzeugunterteil (12), c) Anbringen eines Dämmelementes (14) an einem Werkzeugoberteil (11), d) Schließen der aus Werkzeugoberteil (11) und Werkzeugunterteil (12) gebildeten Form (10), wobei bei geschlossener Form ein Hohlraum (15) zwischen dem Dämmelement (14) und dem Tiefziehteil (13) verbleibt, e) Einbringen einer aushärtbaren Schaummasse (16) in den Hohlraum (15), wobei Schritt e) vor oder nach Schritt d) durchgeführt wird, f) Aushärten lassen der Schaummasse (16) bei geschlossener Form (10) unter Bildung einer festen Verbindung zwischen Tiefziehteil (13) und Dämmelement (14), g) Öffnen der Form (10) und Entnehmen des so gebildeten Verbundbauteiles (17), (25).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehteil (13) eine von einer Ebene abweichende Topographie (9) aufweist, und dass das Dämmelement (14) eine an die Topographie des Tiefziehteiles angepasste Topgraphie aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämmelement (14) aus einem Leichtschaum besteht und eine Dichte von weniger als 0,1 kg/dm³ aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämmelement (14) von einer mit Einschnitten (19a, 19b, 19c, 20a, 20b, 20c) versehenen Dämmstoffplatte bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämmelement (14) eine Wandstärke (W1) zwischen 3 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 15 mm, weiter insbesondere zwischen 5 mm und 12 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Schaummasse (16) glasfaserverstärktes Polyurethan umfasst.
Verbundbauteil (17, 25), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verbundbauteil, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend einen Schichtaufbau mit den folgenden Schichten: a) eine 0,5 mm bis 13 mm dicke, von einem Tiefziehteil (13) bereit gestellte Kunststoffschicht, b) eine 1 mm bis 30 mm dicke Schicht (16) aus einer ausgehärteten Schaummasse, insbesondere umfassend oder bestehend aus glasfaserverstärktem Polyurethan, c) eine 3 mm bis 30 mm dicke Schicht (14) aus einem Leichtschaum mit einer Dichte von weniger als 0,1 kg/dm³, wobei die Kunststoffschicht (13) und die Schicht (14) aus Leichtschaum mittels der ausgehärteten Schaummasse (16) fest miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbaubauteil (17) ein Karosseriebauteil (25) für Fahrzeuge ausbildet, insbesondere ein Karosseriebauteil für einen Caravan.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbaubauteil (17) ein Gehäuseverkleidungselement ausbildet, insbesondere ein Gehäuseverkleidungselement für eine Wärmepumpe.