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Die Erfindung betrifft ein Beplankungsbauteil für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patenanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Beplankungsbauteils.
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Die
DE 202 20 552 U1 zeigt eine Kraftfahrzeugtür mit einem solchen Beplankungsbauteil, welches ein als Türaußenhaut dienendes Kunststoff-Außenbeplankungsteil aufweist, das eine äußere Designfläche der Kraftfahrzeugtür bildet, wobei das Beplankungsbauteil mit einem Aggregateträger der Kraftfahrzeugtür verbindbar ist.
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Die
DE 10 2010 020 308 A1 zeigt ein Karosseriebauteil für einen Kraftwagen, welches aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet ist und eine Deckschicht aus einem Thermoplast umfasst, ein Innenteil und ein Schaumstoffelement, welches zwischen dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil und dem Innenteil angeordnet ist.
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Die
DE 10 2007 024 163 A1 zeigt ein als Heckdeckel für einen Kraftwagen ausgebildetes Karosseriebauteil. Der Heckdeckel umfasst ein Beplankungsteil aus Kunststoff und eine aus einem separaten Vorprodukt gebildete innere Tragstruktur, in welches eine Antenneneinheit vollständig integriert ist, wobei die Antenneneinheit, das Beplankungsteil und die innere Tragstruktur als einteiliger Zusammenbau ausgebildet sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beplankungsbauteil der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Beplankungsbauteils bereitzustellen, mittels welchen eine verbesserte Tragfähigkeit sowie eine hohe Oberflächengüte des Beplankungsbauteils erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Beplankungsbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Beplankungsbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Erzielung einer verbesserten Tragfähigkeit des Beplankungsbauteils bei einer gleichzeitig hohen Oberflächegüte des Beplankungsbauteils ist es bei einem erfindungsgemäßen Beplankungsbauteil für einen Kraftwagen vorgesehen, dass das Kunststoff-Außenbeplankungsteil eine Mehrzahl von faserverstärkten Kunststoffschichten mit jeweils unidirektional ausgerichteten Fasern und eine Deckschicht aus einem Thermoplast umfasst. Die mit unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkte Kunststoffschicht zeichnet sich durch eine gestreckte Fadenlage aus. Diese Eigenschaft der textilen Lage ergibt eine ebenere Fläche im Vergleich zu herkömmlichen Geweben, bei welchen die Zahl der Unebenheiten aufgrund von Ondulationen, welche sich aufgrund einer Vielzahl von Kreuzungspunkten jeweiliger Fasern ergeben, wesentlich größer ist. Dadurch kann eine erhebliche Reduktion der üblicherweise auftretenden Faser-Matrix-Abzeichnungen an der Deckschicht des Beplankungsbauteils erzielt werden. In Folge dessen kann eine besonders gute Oberflächengüte des Beplankungsbauteils erreicht werden. Ferner kann durch den Einsatz der faserverstärkten Kunststoffschichten eine hohe Tragfähigkeit des Beplankungsbauteils erzielt werden, sodass das erfindungsgemäße Beplankungsbauteil neben einer reinen Verkleidungsfunktion zusätzlich eine tragende Funktion, insbesondere bei einer Kraftwagenkarosserie, erfüllen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Beplankungsbauteil ein aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildetes Innenteil und ein Schaumstoffelement umfasst, welches zwischen dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil und dem Innenteil angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Beplankungsbauteil also in einer zweischaligen Sandwichbauweise aufgebaut, wobei das Innenteil und das Schaumstoffelement eine zusätzliche Erhöhung der Tragfähigkeit des Beplankungsbauteils ermöglichen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Deckschicht eine Außenlage aufweist, welche UV-beständig, wasserabweisend und/oder lackierbar ist, und eine Innenlage aufweist, welche mit der unterhalb der Deckschicht angeordneten Kunststoffschicht verbunden ist. Sie kann darüber hinaus KTL-tauglich und ESTA-tauglich auch für Metallkarossen sein. Mit anderen Worten kann die Deckschicht aus zwei verschiedenen Matrizes, beispielsweise in Form einer Koextrusionsfolie und einer Sperrschicht, bestehen. Dadurch wird eine Funktionstrennung durch die beiden Lagen realisiert. Mittels der Außenlage wird eine UV-Beständigkeit des Außenbeplankungsteils sichergestellt, wobei gleichzeitig auch eine Feuchtigkeitssperre und eine bessere Anhaftung von einem Lack auf dem Außenbeplankungsteil erzielt werden kann. Durch die Innenlage wird einen besonders gute Verbindung mit einem Matrixwerkstoff des Außenbeplankungsteils sichergestellt, wobei gleichzeitig die Innenlage dazu dient, eine Art Sperrschicht für Faserwerkstoffe auszubilden sowie eine Reduktion des Schrumpfungsverhaltens des gesamten Außenbeplankungsteils sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Deckschicht Mineral- und/oder Nano- und Mikrofüllstoffe aufweist. Durch die Veredelung der Deckschicht mit diesen Mineral- und/oder Nano- und Mikrofüllstoffen können noch bessere Eigenschaften bezüglich einer Schwindung der Deckschicht erzielt werden, in Folge dessen die Oberflächenanmutung bzw. Oberflächengüte der Deckschicht und des gesamten Außenbeplankungsteils verbessert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Deckschicht aus Polyamid, Polypropylen oder Polyphthalamid ausgebildet ist. Insbesondere erfolgt die Materialauswahl der Deckschicht passend zu dem gewählten Matrixverbundmaterial, wobei durch die Ausbildung der Deckschicht aus einem thermoplastischen Material eine signifikante Reduktion der Schwindung im Vergleich zu duroplastischen Werkstoffen, und somit auch eine Reduktion der Faser-Matrix-Abzeichnung, erzielt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kunststoff-Außenbeplankungsteil eine mit Wirrfasern verstärkte Kunststoffschicht, gegebenenfalls basierend auf Hybridrovings, aufweist. Durch das integrieren von extrem feinen, quasi isotropen Wirr-Glasfaservliesen in den Schichtaufbau kann eine Abzeichnung der verwendeten Fasern an der Oberfläche, also an der Deckschicht, zusätzlich reduziert werden, was sich somit positiv auf die Oberflächenqualität auswirkt. Ferner wird durch den Einsatz der Wirrfasern bzw. der Wirr-Glasfaservliese, verhindert, dass sich die Glasfasern beim Aufschmelzen der Matrix verschieben. Die mit Wirrfasern verstärkte Kunststoffschicht fungiert somit als eine Art Sperrschicht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Fasern und Wirrfasern des Kunststoff-Außenbeplankungsteils in einer aus einem Thermoplast ausgebildeten Matrix eingebettet sind. Dadurch wird ein besonders stabiler Aufbau des gesamten Kunststoff-Außenbeplankungsteils sichergestellt, wodurch die Tragfähigkeit des gesamten Beplankungsbauteils verbessert wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mit unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkte Kunststoffschicht aus einem Gewebe hergestellt ist, welches Kettfäden aus Glasfasersträngen oder aus Hybridsträngen und beim Herstellen der Kunststoffschicht aufgeschmolzene Schussfäden aus thermoplastischen Multifilamenten aufweist. Mit anderen Worten schmilzt beim Verpressen des Kunststoff-Außenbeplankungsteils der Schussfaden auf und aus der vorangegangenen Gewebestruktur wird eine unidirektionale Struktur. Diese Struktur zeichnet sich durch eine gestreckte Fadenlage aus. Dadurch wird eine entsprechend hohe Oberflächengüte des Kunststoff-Außenbeplankungsteils sichergestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kunststoff-Außenbeplankungsteil durch Heißpressen der einzelnen Schichten zu einem Halbzeug und einem anschließenden Umformen des Halbzeugs hergestellt ist. Dadurch können die Außenbeplankungsteile auf besonders schnelle und kostengünstige Weise hergestellt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Beplankungsbauteils für einen Kraftwagen umfasst die folgenden Schritte:
- – Umformen eines ersten aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildeten Halbzeugs und Umspritzen mit Kunststoff zu einem Innenteil;
- – Umformen eines zweiten aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildeten Halbzeugs zu einem Kunststoff-Außenbeplankungsteil;
- – induktives Erwärmen einer aus einem Thermoplast ausgebildeten Deckschicht des Kunststoff-Außenbeplankungsteils;
- – Aneinanderfügen des Innenteils und des Kunststoff-Außenbeplankungsteils;
- – Einbringen eines Schaumstoffs in ein zwischen dem Innenteil und dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil ausgebildeten Hohlraum, wobei das Innenteil und das Kunststoff-Außenbeplankungsteil anschließend im Bereich des Hohlraums um einen vorgegebenen Weg voneinander wegbewegt werden.
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Durch das induktive Erwärmen der Deckschicht wird diese aufgeschmolzen, wonach sich eine Außenhaut mit einer besonders hohen Oberflächengüte ausbildet. In Folge dessen ist keine Nachbearbeitung der Oberfläche nach dem Produktionsprozess mehr notwendig. Das üblicherweise sonst erforderliche mehrmalige Abschleifen und Auftragen von Matrixmaterial kann dadurch entfallen, wodurch sich die Zykluszeit für ein Beplankungsbauteil erheblich verringert. Durch das Einbringen des Schaumstoffs in den Hohlraum und das daran anschließende voneinander Wegbewegen des Innenteils und des Kunststoff-Außenbeplankungsteils im Bereich des Hohlraums kann eine besonders starke Dichtereduktion des eingebrachten Schaumstoffs erzielt werden. Im Gegensatz zum klassischen Niederdruckverfahren wird der Hohlraum zuerst volumetrisch vollständig gefüllt und es erfolgt anschließend eine Kavitätsvergrößerung, die zum Druckabfall und zur Expansion des gasbeladenen Schaumstoffs führt. Durch dieses Schaumstoffgießen mit vorzugsweise „atmendem Werkzeug” können kürzere Zykluszeiten bei gleichzeitig verringerten Bauteilgewichten erzielt werden. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Materialersparnis, erhöhte spezifische Steifigkeit, verbesserte Maßhaltigkeit, geringerer Verzug, Reduzierung von Einfallstellen, geringere Spannungen und längere Fließwege.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigen in:
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1 ein Perspektivansicht auf ein Beplankungsbauteil für einen Kraftwagen, welches als Beplankungsträger für eine Kraftfahrzeugtür dient, wobei das Beplankungsbauteil ein Kunststoff-Außenbeplankungsteil und ein Innenteil umfasst, zwischen welchen ein Schaumstoffelement angeordnet ist;
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2 eine Schnittansicht eines mehrere Schichten aufweisenden Schichtaufbaus, aus welchem durch anschließendes Verpressen und Umformen das Kunststoff-Außenbeplankungsteil hergestellt wird;
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3 eine Schnittansicht eines alternativen Schichtaufbaus;
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4 eine Schnittansicht eines weiteren alternativen Schichtaufbaus;
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5 eine Perspektivansicht auf einen Teil eines Gewebes, mittels welchem eine oder mehrere Schichten des Schichtaufbaus realisiert werden können;
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6 eine schematische Schnittansicht eines Hybridstrangs, welcher Glasfasern und thermoplastische Multifilamente aufweist;
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7 eine schematische Darstellung einer Wirrfaserschicht, welche Bestandteil des Kunststoff-Außenbeplankungsteils ist;
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8 zwei nebeneinander angeordnete Produktionsstationen, mittels welchen das in 1 gezeigte Beplankungsbauteil hergestellt wird.
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Ein Beplankungsbauteil 10 mit einem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 und einem Innenteil 14, zwischen welchen ein Schaumstoffteil 16 angeordnet ist, ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Vorliegend ist das Beplankungsbauteil 10 in einer Explosionsansicht gezeigt, damit das zwischen dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 und dem Innenteil 14 aufgenommene Schaumstoffelement 16 dargestellt werden kann.
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Das Beplankungsbauteil 10 ist vorliegend als Beplankungsträger für eine Fahrzeugtür ausgebildet, mittels welchem ein hier nicht dargestellter Türträger verkleidet werden kann. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Beplankungsbauteil 10 um ein tragendes Außenhautbauteil für Kraftfahrzeuge. Als Außenhaut werden sämtliche nach außen hegende Oberflächen von Kraftfahrzeugen bezeichnet. Beispielhafte Anwendungen sind Heckklappen, Pkw-Türen, Pkw-Dächer und dergleichen. Folglich ist das Beplankungsbauteil 10 nicht nur auf Beplankungsträger für Fahrzeugtüren beschränkt.
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Das Beplankungsbauteil 10 weist einen zweischaligen Sandwichaufbau aus dem eine Außenschale bildenden Außenbeplankungsteil 12, dem eine Innenschale bildenden Innenteil 14 und dem dazwischen aufgenommenen Schaumstoffelement 16 auf. Bei dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 und dem Innenteil 14 handelt es sich um faserverstärkte Kunststoffbauteile, bei welchen thermoplastische Materialien eingesetzt werden. Dies ist notwendig, um zum einen die Tragfähigkeit des Beplankungsbauteils 10 zu gewährleisten und zum anderen eine im Automobilbereich stets geforderte Class-A Oberfläche zu erzielen. Zur Anwendung kommen Matrixmaterialien wie beispielsweise Polyamid, Polypropylen oder Polyphthalamid. Als Verstärkungsfasern werden zum Beispiel Glasfasern eingesetzt, wobei auch sogenannte Hybridrovings zum Einsatz kommen können. Die Class-A Oberfläche wird durch eine hier nicht näher bezeichnete aus einem Thermoplasten ausgebildete Deckschicht aus einem wärmedehnungsarmen, verzugsarmen Matrixmaterial erzielt, welche in einem Pressprozess mittels eines induktiv beheizten Werkzeugs durch Anschmelzen der Oberfläche hergestellt wird.
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Das Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 ist aus einer Mehrzahl von hier nicht dargestellten Schichten ausgebildet und weist die bereits erwähnte Deckschicht 18 aus einem Thermoplast auf. Anhand der 2 bis 4 werden nachfolgend unterschiedliche mögliche Schichtaufbauten des Kunststoff-Außenbeplankungsteils 12 erläutert, wobei in den 2 bis 4 die unterschiedlichen Schichten vor einem Verpressen dieser Schichten und anschließendem Umformen zu dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 dargestellt sind.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform eines Schichtaufbaus 17 zur Herstellung des Kunststoff-Außenbeplankungsteils 12 gezeigt. Der Schichtaufbau 17 umfasst die bereits erwähnte Deckschicht 18, eine mit unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkte Kunststoffschicht 20, eine weitere mit unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkte Kunststoffschicht 22, wobei die Fasern dieser Kunststoffschicht 22 um 90° quer zu den Fasern der Kunststoffschicht 20 angeordnet sind, eine Folie 24 aus Thermoplast und ein aus Wirrfasern ausgebildetes Vlies 26, wonach sich die Schichten in spiegelbildlicher Reihenfolge wiederum anschließen bzw. wiederholen.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Schichtaufbaus 28 gezeigt. An die Deckschicht 18 schließen sich wiederum die mit den unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkten Kunststoffschichten 20 und 22 an, wonach im vorliegenden Fall das aus Wirrfasern bestehende Vlies 26 folgt und sich daran die Folie 24 aus Thermoplast anschließt, welche im vorliegenden Fall die Symmetrieachse des Schichtaufbaus 28 darstellt, an welche sich in umgekehrter Reihenfolge wiederum die weiteren Schichten 26, 22, 20, 18 anschließen. Auch hier dient die thermoplastische Folie 24 als Matrixmaterial, jedoch ist in dieser Variante nur eine einzige Folie 24 notwendig, da die Kunststoffschichten 20, 22 sogenannte Hybridrovings mit einem gewissen Thermoplastanteil aufweisen und somit genügend Matrixmaterial bereitgestellt wird.
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In 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Schichtaufbaus 30 gezeigt. Der Schichtaufbau 30 besteht nacheinander aus der Deckschicht 18, der die unidirektional ausgerichteten Fasern umfassenden Kunststoffschicht 20, das Wirrfasern aufweisende Vlies 26 und die die unidirektional ausgerichteten Fasern aufweisende Kunststoffschicht 22, wonach sich die jeweiligen Lagen in umgekehrter Reihfolge bzw. in gespiegelter Weise wiederholen.
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Nachfolgend werden die funktionalen Eigenschaften der jeweiligen Schichten 18 bis 26 erläutert. Die äußere Schicht, welche aus der thermoplastischen Deckschicht 18 ausgebildet ist, verursacht eine signifikante Reduktion der Schwindung im Vergleich zu duroplastischen Werkstoffen, wodurch eine Reduktion der Faser-Matrix-Abzeichnung an dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 erzielt wird. Dies wird insbesondere durch den Einsatz von amorphen, KTL-tauglichen Hochtemperatur-Thermoplasten ermöglicht, welche zusätzlich mit Mineral-, Nano- und Mikrofüllstoffen veredelt werden können, um noch bessere Eigenschaften bzgl. der Schwindung zu erreichen.
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Die thermoplastische Deckschicht 18 wird in Form von Dünnfolien verarbeitet. Auf Grund des positiven Einflusses der amorphen Deckschicht 18 auf die Oberflächenqualität, besitzen alle Schichtvarianten 17, 28, 30 eine Deckschicht 18 aus diesem Material.
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Zusätzlich kann die Deckschicht 18 aus zwei verschiedenen hier nicht dargestellten Matrizes bestehen. Die Deckschicht 18 weist in diesem Fall eine hier nicht gezeigte Außenlage auf, welche UV-beständig, KTL-tauglich, wasserabweisend und/oder lackierbar, insbesondere ESTA-tauglich ist. Diese dient somit als Feuchtigkeitssperre und für eine verbesserte Lackierbarkeit bzw. Haftung von entsprechenden Lacken auf dem Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12, wobei gleichzeitig dadurch ein UV-Schutz gewährleistet wird. Des Weiteren weist die Deckschicht 18 eine ebenfalls nicht gezeigte Innenlage auf, welche mit der unterhalb der Deckschicht 18 angeordneten Kunststoffschicht 20 verbunden ist. Diese Innenlage kann beispielsweise als (Ko)extrusionsfolie ausgebildet sein, welche neben der Verbindung mit dem Matrixmaterial als Sperrschicht für weitere Fasern und zur Reduktion des Schrumpfungsverhaltens dient.
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Einen weiteren entscheidenden Einfluss auf die Class-A Oberfläche aus textiltechnischer Sicht hat das Verwenden von unidirektionalen Tapes oder Bändchen. Bei den unidirektionalen Tapes handelt es sich um die jeweiligen mit den unidirektional ausgerichteten Fasern verstärkten Kunststoffschichten 20, 22.
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Die Besonderheit liegt dabei in der Herstellung der faserverstärkten Kunststoffschichten 20, 22, welche aus einem wie in 5 gezeigten Gewebe 32 hergestellt werden. Das Gewebe 32 umfasst eine Mehrzahl von Kettfäden 34 und Schussfäden 36. Hierbei sind die Schussfäden 36 des Gewebes 32 aus einem Thermoplast-Multifilament und die Kettfäden 34 aus einem Hybrid- beziehungsweise Glasfaserroving ausgebildet. Beim Verpressen des Schichtaufbaus 17, 28, 30 schmilzt der Schussfaden 34 auf und aus der vorangegangenen Gewebestruktur wird eine unidirektionale Struktur. Diese Struktur zeichnet sich durch eine gestreckte Faserlage aus. Diese Eigenschaft der textilen Lage ergibt eine ebenere Fläche im Vergleich zu herkömmlichen Geweben, da die Zahl der Unebenheiten, und die Zahl der Ondulationen wesentlich geringer ist, und keine Kreuzungspunkte wie bei üblichen Geweben mehr vorliegen. Ferner werden durch die unidirektionalen Tapes Matrixanhäufungen vermindert, welche zu Unstetigkeiten an der Oberfläche führen können.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Hybridrovings in der unidirektionalen Lage 20, 22 im Vergleich zu Glasfaserrovings liegt darin, dass die Webgeschwindigkeit zur Herstellung der faserverstärkten Kunststoffschichten 20, 22 wesentlich gesteigert werden kann. Der Grund liegt darin, dass der Thermoplastanteil im Hybridroving die Sprödigkeit des Rovings vermindert, sodass erst bei höheren Webgeschwindigkeiten Fadenbrüche auftreten.
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Zusätzlich können die Hybridrovings als sogenannte Spread-Tows verarbeitet werden. In 6 ist eine schematische Querschnittsansicht des als Hybridroving ausgebildeten Kettfadens 34 dargestellt. Die einzelnen aus Glasfasersträngen 38 und Thermoplaststrängen 40 ausgebildeten Filamente werden dabei möglichst weit aufgespreizt um einen flacheren Roving zu erhalten. Der Vorteil dabei liegt darin, dass die Dicke der unidirektionalen Schicht 20, 22 erheblich reduziert wird und parallel dazu die Unebenheiten aufgrund der Abflachung der Rovings verringert werden und somit noch ebenere Flächen entstehen. Dadurch ist textiltechnisch bereits eine ideale Grundlage für eine spätere Class-A Oberfläche gegeben. Die Glasfaserrovings und thermoplastischen Mulitfilamentgarne werden beispielsweise mittels des sogenannten Commingling-Verfahrens miteinander verwirbelt. Dadurch wird ein möglichst homogen gemischtes Garn erzielt.
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Alternativ kann eine textile Lage auch durch ein hier nicht dargestelltes Drehergewebe realisiert werden. Hierbei ist die hohe Schiebefestigkeit ein Vorteil, die aufgrund der Struktur eines Drehergewebes (mit mehreren Kettfadensystemen) entstehen. Aus diesem Grund weist dieses Gewebe ebenfalls eine geringe Strukturdehnung auf. Wenn das Drehergewebe mit nahezu gestreckt liegenden Steherfäden gewebt wurde, besitzt das Gewebe ähnliche Eigenschaften wie eine unidirektionale Schicht. Somit können unidirektionale Lagen auch durch Drehergewebe substituiert werden.
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In 7 ist ein aus Wirrfasern oder Hybridrovings 42 ausgebildetes Vlies 26 in einer schematischen Ansicht gezeigt. Der Grund für das Integrieren von extrem feinen, quasi-isotropen Wirrglasfaservliesen in den jeweiligen Schichtaufbau 17, 28, 30 liegt darin, dass eine Abzeichnung der Fasern an der Oberfläche zusätzlich reduziert wird und sich somit positiv auf die Oberflächenqualität auswirkt. Zudem wird durch das Vlies 26 beziehungsweise durch diese Vliesschicht verhindert, dass sich die Glasfasern beim Aufschmelzen der Matrix verschieben. Es fungiert also als eine Art Sperrschicht. Eine zusätzlich positive Auswirkung auf die Verarbeitbarkeit und die Oberfläche bringt eine Ausbildung der Vliese 26 ebenfalls aus Hybridrovings mit sich.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des Beplankungsbauteils 10 anhand der 8 erläutert. Zunächst wird der Schichtaufbau 17 oder 28 oder 30 durch Heißpressen der einzelnen Schichten 18, 20, 22, 24, 26 zu einem Halbzeug 44 verpresst und gegebenenfalls davor oder danach konfektioniert.
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Ein zuvor erwärmtes und konfektioniertes als Organoblech ausgebildetes Halbzeug 46 wird in ein Werkzeug in einer ersten Station 50 eingelegt und durch hier nicht dargestellte Vakuumsauger im Werkzeug 48 gehalten. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Halbzeug 46 um ein aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildetes Organoblech. Nachdem das Halbzeug 46 in das Werkzeug 48 eingelegt worden ist, wird dieses geschlossen und das Halbzeug 46 umgeformt. Daraufhin wird das umgeformte Halbzeug 46 mit Kunststoff umspritzt und dadurch das Innenteil 14 ausgebildet. Parallel dazu wird in einer zweiten Station 52 das Halbzeug 44 mit Hilfe eines Vakuumgreifers 54 eingelegt, umgeformt und temperiert, wodurch das Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 ausgebildet wird.
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Innerhalb des Werkzeugs 54 befindet sich ein Werkzeugtemperierungsmodul 56, welches die thermoplastische Deckschicht 18 induktiv erwärmt und somit eine Class-A Oberfläche erzeugt. Das Nutzen der variothermen induktiven Werkzeugtemperierung stellt einen enormen Sprung hinsichtlich der Fertigung eines Faserverbundwerkstoffes mit Class-A Oberflächen dar. Durch kurzes Aufschmelzen der thermoplastischen Deckschicht 18 an einer induktiv erwärmten Werkzeugoberfläche entsteht eine glatte Deckschicht 18.
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Mittels einer Wendeplatte 58 wird das aus dem mit Kunststoff umspritzten Halbzeug 46 ausgebildete Innenteil 14 der Station 52 zugewendet, wonach das Innenteil 14 und das Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 unter Ausbildung eines nicht dargestellten Hohlraums aneinander gefügt werden. Anschließend wird ein hier nicht näher bezeichneter Schaumstoff, aus welchem das Schaumstoffelement 16 ausgebildet wird, in den zwischen dem Innenteil 14 und dem Kunststoffaußenbeplankungsteil 12 ausgebildeten Hohlraum eingebracht, wobei das Innenteil 14 und das Kunststoffaußenbeplankungsteil 12 anschließend im Bereich des Hohlraums um einem vorgegebenen Weg voneinander weg bewegt werden.
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Mit anderen Worten wird das Kunststoffaußenbeplankungsteil 12 und das Innenteil 14 nach der Befüllung mit dem Schaumstoff aufgezogen, was als sogenanntes „Atmen” bezeichnet wird. Durch das sogenannte Schaumspritzen mit „atmendem” Werkzeug kann eine erhebliche Dichtereduktion des Schaumstoffelements 16 erzielt werden. Das Aufschäumen erfolgt durch Werkzeugatmung circa drei Sekunden nach der volumetrischen Füllung des Hohlraums beziehungsweise der Kavität.
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Im Gegensatz zum klassischen Niederdruckverfahren wird die Kavität beziehungsweise der Hohlraum zuerst volumetrisch vollständig gefüllt und es erfolgt eine Kavitätvergrößerung, die zum Druckabfall und zur Expansion der gasbeladenen Schmelze beziehungsweise des Schaumstoffs führt. Die Kavitätsvergrößerung kann durch eine präzise Öffnungsbewegung einer Schließeinheit einer Spritzgussmaschine oder durch entsprechend beweglich Kerne realisiert werden. In der Regel werden dafür Tauchkantenwerkzeuge eingesetzt, um einen Schmelzaustritt aus einer Trennebene zu vermeiden.
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Die Expansion des Schaumstoffs erfolgt aufgrund der unidirektionalen Kavitätsvergrößerung nur in eine Richtung. Beim Schaumspritzen mit „atmendem” Werkzeug bilden sich unmittelbar nach der Werkzeugfüllung aufgrund der Erstarrung des Polymers an der kalten Werkzeugwand kompakte Deckschichten aus. Durch eine Verzögerung zwischen dem Einspritzen und dem „Atmen” kann die Dicke der kompakten Deckschichten des Integralschaums eingestellt werden, wobei eine längere Verzögerungszeit zu dickeren kompakten Deckschichten führt. Während dieser Verzögerungszeit wird die eingespritzte Schmelze beziehungsweise der eingespritzte Schaumstoff durch eine kurze Druckbeaufschlagung (Nachdruckphase) am Aufschäumen gehindert. Insgesamt bietet das Schaumspritzen kürzere Zykluszeiten, verringerte Bauteilgewichte und niedrigere Werkzeuginnendrücke.
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Zusammengefasst ermöglicht das Beplankungsbauteil 10 beziehungsweise das Kunststoff-Außenbeplankungsteil 12 eine Reduktion des Gewichtes und der Kosten im Vergleich zu aus Aluminium oder aus Sheet Moulding Compound ausgebildeten Beplankungen. Zudem ergibt sich durch den geschäumten Sandwich-Aufbau eine optisch erheblich höhere Wertanmutung der Beplankungsbauteile 10 bei gleichzeitiger Kosten- und Gewichtsreduzierung.
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Hinzu kommt die Schaffung einer Class-A Oberfläche der Außenhaut des Beplankungsbauteils 10. Der entscheidende Vorteil bezüglich der Schaffung dieser Oberfläche ist, dass keine Nachbearbeitung der Oberfläche nach dem Produktionsprozess notwendig und eine sehr gute Lackierbarkeit in den Lackierstraßen für Metallkarossen gegeben ist. Hierfür ist unter anderem der Einsatz der induktiven, variothermen Werkzeugtemperierungstechnologie verantwortlich. Zusätzlich ist der Herstellungsprozess energetisch sehr effektiv und durch den Einsatz von induktiv erhitzten Platten im Werkzeug 53 auch besonders schnell. Das übliche mehrmalige Abschleifen von Matrixmaterial entfällt. Somit verkürzt sich die Zykluszeit zur Herstellung des Beplankungsbauteils 10 erheblich.
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Im Vergleich zu metallischen Werkstoffen ergeben sich hinsichtlich des Korrosionsverhaltens und der daraus resultierenden längeren Haltbarkeit enorme Vorteile, vor allem dahingehend dass kein zusätzlicher Korrosionsschutz notwendig ist. Ferner wird eine größere Designfreiheit bei den Bauteilen ermöglicht wird.
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Ein weiterer positiver Aspekt der Faserverbundkunststoffe ist das geringere Gewicht im Vergleich zu Metallen, bei gleicher bis höherer Steifigkeit und vergleichbaren Bauraum. Die Folge ist unter anderem eine gesteigerte Energieeffizienz und eine daraus resultierende größere Reichweite der Kraftwagen, in welchen die gewichtsreduzierten Beplankungsbauteile 10 eingesetzt werden.
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Ferner weisen solche Beplankungsbauteile 10 aus faserverstärktem Kunststoff einen schwingungsreduzierten Aufbau bei einer höheren Steifigkeit und somit auch sehr gute Crasheigenschaften auf. Zudem weist das Beplankungsbauteil 10 eine verbesserte akustische und thermische Dämmeigenschaft im Gegensatz zu Konstruktionen aus Metall auf. Im Zuge einer Elektrifizierung von Kraftwagen ist dies ein besonders wichtiger Faktor, da so der Energieverbrauch für beispielsweise eine Innenraumklimatisierung erheblich reduziert werden kann.
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Hinzu kommt die Reduzierung der Herstellkosten. Begründet ist dies durch den Einsatz von Thermoplasten und einer endkonturnahen Formgebung, wodurch entsprechende Werkzeugkosten minimiert werden können. Anzumerken ist die zunehmende Wirtschaftlichkeit von Faserverbundwerkstoffen durch die zukünftig sinkende Stückzahl von einzelnen Kraftwagenvarianten aufgrund der stetig wachsenden Modellvielfalt.
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Vorteile im Vergleich zu duroplastischen Beplankungen (beispielsweise aus Sheet Modelling Compound) sind eine nahezu unbegrenzte Lagerbarkeit der thermoplastischen Matrix bei Raumtemperatur, keine Notwendigkeit von Lösungsmitteln bei der Bauteilherstellung, wobei Thermoplaste als Granulat verfügbar sind und die Zykluszeiten durch wesentlich kürzere Aushärtungszeiten reduziert werden können. Ferner weisen Thermoplasten eine geringere Schwindung auf, was sich positiv auf die zu erzielende Oberfläche auswirkt. Schließlich weisen Thermoplaste eine erhöhte Medienbeständigkeit und eine höhere Schlagzähigkeit auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20220552 U1 [0002]
- DE 102010020308 A1 [0003]
- DE 102007024163 A1 [0004]
