DE102012220304B4

DE102012220304B4 - Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils

Info

Publication number: DE102012220304B4
Application number: DE102012220304.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Lischo; Bernt Arne Syvertsen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: DE102012220304A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (10), mit den Schritten:- Positionierung einer ersten Werkzeughälfte (20) mit einer Matrize (21),- Auftragen einer Kunststoffschicht (11) auf eine Oberfläche der Matrize (21),- Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer, zum Gelieren der Kunststoffschicht (11),- Einbringen einer Faserverbundschicht (12) in die Matrize (21) auf die Kunststoffschicht (11),- Schließen des Werkzeugs mit einer zweiten Werkzeughälfte (22), die als Kern und/oder Patrize ausgebildet ist,- Beaufschlagung der Schichten (11, 12) mit Druck und/oder Temperatur zur Erzeugung eines Sandwichhalbzeugs, wobeinach dem Gelieren die Kunststoffschicht (11) formstabil ist und eine reaktive Kapazität aufweist, um bei der Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur mit einer Matrix der Faserverbundschicht eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12) als Fasermatte, als Prepreg und/oder als Preform in die Matrize (21) der ersten Werkzeughälfte (20) eingebracht wird und nach dem Einbringen der Faserverbundschicht (12) ein Kern (13) aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur in die Matrize (21) der Werkzeughälfte (20) auf die Faserverbundschicht (12) eingelegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils für ein Kraftfahrzeug mit einer Kunststoffschicht, die eine sichtbare Oberfläche aufweist und einer Faserverbundschicht, die auf einer der sichtbaren Oberfläche gegenüberliegenden Seite der Kunststoffschicht angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um nachhaltige und verbrauchsarme Fahrzeuge herzustellen, wird bei heutigen Kraftfahrzeugen versucht, das Gesamtgewicht auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Ein Ansatz liegt darin, das Blech der Außenhautbauteile durch geeignete leichte Kunststoffe zu ersetzen. Aus dem Stand der Technik sind Faserverbundaußenhautbauteile bekannt, die bislang bei sportlich ambitionierten Fahrzeugen eingesetzt werden. Solche Außenhautbauteile wurden insbesondere für Klappen, beispielsweise Motorhauben, Kofferraumdeckel und Türen, sowie zur Herstellung von Dachpartien verwendet. Da es sich bei den erwähnten Fahrzeugen um sehr hochpreisige Produkte handelt, konnten die dabei verwendeten Außenhautbauteile als einzel- oder kleinstseriengefertigte Bauteile hergestellt werden. Die aus diesem Stand der Technik bekannten Bauteile und Herstellungsverfahren sind jedoch nicht geeignet für Großserienfertigungen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Bauteile liegt auch darin, dass eine ausreichende Güte der Oberfläche, um den Anforderungen an Außenhautbauteilen von Kraftfahrzeugen zu genügen, nur mit großem Aufwand realisierbar ist.
Die DE 10 2011 015 947 A1 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Mehrschicht-Karosseriebauteils mit einer Class-A-Oberfläche und das Faserverbund-Mehrschicht-Karosseriebauteil selbst bereit.
Die DE 100 57 265 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoff-Sandwichbauteiles nach dem LFI-Verfahren (= Langfaser-Injection), bei welchem in ein geeignetes Werkzeug ein Kunststoffschaum-Glasfaser-Gemisch (LFI-Material) eingebracht wird.
Die WO 2010/012348 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, mit folgenden Verfahrensschritten: 1.1 Herstellung eines Dekorverbunds aus wenigstens einer Trägerschicht und wenigstens einer farbgebenden Schicht, 1.2 Herstellung eines Strukturverbunds aus wenigstens einer Deckschicht und wenigstens einem mit dieser verbundenen Abstandshalter, 1.3 Einbringen einer Verbindungsschicht zwischen Dekorverbund und Strukturverbund, und 1.4 Zusammenfügen des Strukturverbunds und des Dekorverbunds unter Aushärtung der Verbindungsschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellverfahren für ein Sandwichbauteil anzugeben welches sich gegenüber bekannten Außenhautbauteilen aus Blech durch besonders geringes Gewicht auszeichnet, die Anforderungen einer Class-A-Oberfläche erfüllt und ohne zusätzliche Anpassungen in den bekannten Herstellungsprozess bei der Karosseriefertigung integriert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils vor, mit den Schritten: Positionierung einer ersten Werkzeughälfte mit einer Matrize, Auftragen einer Kunststoffschicht auf eine Oberfläche der Matrize, Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer, zum Gelieren der Kunststoffschicht, Einbringen einer Faserverbundschicht in die Matrize auf die Kunststoffschicht, Schließen des Werkzeugs mit einer zweiten Werkzeughälfte, die als Kern und/oder Patrize ausgebildet ist, Beaufschlagung der Schichten mit Druck und/oder Temperatur zur Erzeugung eines Sandwichhalbzeugs.
Dabei ist die Kunststoffschicht nach dem Gelieren formstabil und weist noch eine reaktive Restkapazität auf, um bei der Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur mit einer Matrix der Faserverbundschicht eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen. Mit anderen Worten, nach dem Einsprühen der Kunststoffschicht auf die Matrize wird eine vorbestimmte Zeitdauer abgewartet, in der der Kunststoff soweit ausreagiert, dass er eine ausreichende Formstabilität aufweist, um bei Druckbeaufschlagung sich nicht zu verformen, jedoch gleichzeitig noch eine ausreichende Reaktivität aufweist, um mit dem Harz der Faserverbundschicht eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen.
Als weiterer Schritt wird nach dem Einbringen der Faserverbundschicht ein Kern aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur in die Matrize der Werkzeughälfte auf die Faserverbundschicht eingelegt.
Darüber hinaus kann der Kern mittels Lichtbogenspritzen hergestellt sein, wobei insbesondere Zink, Messing, Kupfer und/oder Edelstahl auf einem Polyurethan-Schaum gespritzt wird.
Zusätzlich kann eine weitere Faserverbundschicht in die Matrize der Werkzeughälfte auf den Kern eingebracht werden.
Weiterhin sind die Faserverbundschichten als Fasermatten, als Prepregs und/oder als Preforms in die Matrize der ersten Werkzeughälfte eingebracht.
Darüber hinaus können die Faserverbundschichten mehrere Lagen umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können zur Ausbildung des Kerns mehrere Lagen Metallschaum in die Matrize der ersten Werkzeughälfte eingelegt werden.
Darüber hinaus können beim Auftragen der Kunststoffschicht dem Kunststoff Feststoffe beigemischt werden. Durch den Einsatz dieser Feststoffe kann die sichtbare Oberfläche weiter verbessert werden. Als Feststoffe eignen sich beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Galskugeln und/oder Talkum.
Weiterhin kann die Kunststoffschicht Polyurethan oder Epoxidharz umfassen.
Im Folgenden sollen die Vorteile der vorliegenden Erfindung kurz zusammengefasst werden. Durch die Verwendung der offenporigen Metallstruktur als Kern können eingeschlossene Luftvolumen bei Erwärmung expandieren. Die verwendeten Kunststoffe für die Kunststoffschicht sowie die verwendete Matrix der Faserverbundschicht bleiben bei Erwärmung ebenfalls hart und erweicht nicht. Dadurch können Verformungen und Welligkeiten im Bauteil verhindert werden wodurch die sichtbare Oberfläche nicht beschädigt wird. Ein solches Bauteil kann folglich eine kathodische Tauchlackierung durchlaufen und hält auch den sich daran anschließenden Temperaturen im Lacktrocknungsprozess von ca. 220°C Stand. Die offenporige Metallstruktur weist dabei zusätzlich den Vorteil auf, dass die Flüssigkeit aus der kathodischen Tauchlackierung in die Zwischenräume eindringen kann und anschließend wieder herausfließt. Somit saugt sich das Bauteil nicht voll, wie dies beispielsweise bei der Verwendung von Wabenkernen aus Papier oder Kunststoff der Fall wäre. Auch die Gefahr von Korrosion des Kernes kann eliminiert werden, da diese durch die KTL-Bäder hindurch geleitet wird und somit mit einem Korrosionsschutz beschichtet wird. Durch die Verwendung von temperaturstabilen Epoxidharzen oder Polyurethansystemen haben diese eine Reststabilität im Trocknerofen, so dass sich weder die Faserverbundschicht noch die Kunststoffschicht verformen. Auch der Kern aus Metallschaum bietet eine genügende Stabilität gegenüber der Temperaturbeaufschlagung im Trockner. Durch die niedrige Viskosität der KTL-Flüssigkeit verkleben die Schaumporen nicht und ein Zu- und Ablauf ist gewährleistet. Dadurch werden in Verbindung mit der geeigneten Matrix der Faserverbundschicht aus Epoxid, Phenol oder Polyurethan preisgünstige Faserverbundaußenhautteile möglich, die im normalen Lackprozess lackierbar sind. Zudem sind die Eigenschaften in Bezug auf das Crash-Verhalten und den Fußgängerschutz partiell einstellbar, indem der Kern, wie auch die Faserverbundschichten, aus mehreren Einzellagen herstellbar sind. Da die Kunststoffschicht und die Faserverbundbauteile aus dem gleichen Material bestehen, können diese eine feste, stoffschlüssige Verbindung eingehen, ohne dass zusätzliche Arbeitsgänge nötig wären. Dadurch können die erfindungsmäßen Sandwichbauteile direkt lackiert werden. Das bedeutet, sie werden zuerst an die Karosseriestruktur montiert und durchlaufen zusammen mit der Karosserie und den anderen Anbauteilen das KTL-Bad. Nach dem KTL-Bad werden sie einem Trocknungsprozess unterworfen, bei dem die Bauteile einer Temperatur von ca. 220°C ausgesetzt sind. Anschließend erfolgen die Lackierung sowie ein weiterer Trocknungsschritt, in dem der Lack mit bis zu 160°C getrocknet wird. Dies ist möglich, da der Metallschaum des Kerns auch im Trocknerofen nach dem KTL-Bad die Gestaltfestigkeit beibehält.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung

1a ein Sandwichbauteil gemäß einer ersten Ausführungsform
1b ein Sandwichbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform und
2a - 2e einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines Sandwichbauteils.

Das Sandwichbauteil 10 aus 1a weist eine Kunststoffschicht 11 auf mit einer sichtbaren Oberfläche 11a. Im eingebauten Zustand, d.h. wenn das Sandwichbauteil als Außenhautbauteil eines Fahrzeugs verwendet wird, bildet die Oberfläche 11a die von außen sichtbare Fläche des Sandwichbauteils 10. Auf einer der sichtbaren Oberfläche 11a gegenüberliegenden Seite der Kunststoffschicht 11 ist eine Faserverbundschicht 12 angeordnet. Darunter befindet sich ein Kern 13, der aus Metallschaum hergestellt ist. Der Kern 13 und die Faserverbundschicht 12 geben der Kunststoffschicht 11 die Steifigkeit und wirken als Trägerstruktur.
Zur Erhöhung der strukturmechanischen Eigenschaften des Sandwichbauteils 10 kann eine weitere Faserverbundschicht 12 vorgesehen sein. Dadurch ergibt sich der in 1a gezeigte Aufbau, bei dem der Kern 13 von zwei Faserverbundschichten 12 umgeben ist. In der zweiten Faserverbundschicht 12 sind Durchlässe 14 vorgesehen, die den Kern bzw. dessen Poren fluidisch mit der Umgebung des Sandwichbauteils 10 verbinden. Die einzelnen Zellen, Poren bzw. Waben des Kerns 13 sind so perforiert, dass alle Luftvolumen miteinander in Verbindung stehen. Somit kann die Luft bzw. ein Fluid aus dem Inneren des Kernes durch die Entlüftungsdurchlässe 14 entweichen. Im Sinne der Erfindung sind als Fluide Gase oder auch Flüssigkeiten zu verstehen.
In 1b ist eine zweite Ausführungsform des Sandwichbauteils 10 abgebildet. Wie aus 1b ersichtlich ist, umgeben die Faserschichten 12 vollständig den Sandwichkern 13. Eine fluidische Verbindung zwischen den Poren des Kerns 13 und der Umgebung des Sandwichbauteils 10 ist nur noch über die Durchlässe 14 möglich.
In beiden Ausführungsformen kann der Metallschaum über seine geometrische Ausbreitung hinweg, je nach Auftragsmaterial und Dicke des Kerns 13 in seinen mechanischen Eigenschaften beispielsweise seine Festigkeit variieren. Somit können in einzelnen Bereichen des Bauteils 10 höhere mechanische Eigenschaften erzielt werden und in anderen Bereichen niedrigere. Bei der Verwendung des Sandwichbauteils 10 als Motorhaube eines Kraftfahrzeugs können so nachgiebige Bereiche kreiert werden, die als passive Sicherheitszonen beim Fußgängerschutz dienen.
Im Folgenden soll das Herstellungsverfahren anhand der 2a bis 2e erläutert werden. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils 10 wird ein Werkzeug mit einer oberen Werkzeughälfte 22 und einer unteren Werkzeughälfte 20 verwendet, wobei die untere Werkzeughälfte 20 eine offene Kavität in Form einer Matrize 21 aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt wird Kunststoff auf die Oberfläche der Matrize 21 gesprüht zur Ausbildung der Kunststoffschicht 11. Hierfür wird Polyurethan oder ein Epoxidharz verwendet, wie in der 2a dargestellt. Anschließend wird eine vorbestimmte Zeit abgewartet, bis der Kunststoff der Kunststoffschicht 11 geliert ist, d.h. bis er ausreichend formstabil ist, um bei Druckbeaufschlagung keine Abzeichnungen zu erhalten, aber gleichzeitig noch ausreichende Reaktivität aufweist, um den Stoffschluss mit einer im Folgeschritt aufgelegten Faserverbundschicht 12 einzugehen.
In diesem zweiten Verfahrensschritt, wie in 2b dargestellt, wird eine Faserverbundschicht 12 auf die Kunststoffschicht 11 aufgelegt. Die Faserverbundschicht 12 umfasst Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, Glas, Aramid, Basalt, Hanf und/oder Sisal und eine Matrix, die aus dem gleichen Kunststoff wie die Kunststoffschicht 11 hergestellt ist. Durch die bereits erlangte Formsteifigkeit der Kunststoffschicht 11 zeichnen sich die Fasern nicht auf der sichtbaren Oberfläche 11a der Kunststoffschicht 11 ab. Gleichzeitig kann durch Verwendung des gleichen Materials für die Kunststoffschicht 11, wie auch für das Harz der Faserverbundschicht 12, ein guter Stoffschluss zwischen diesen beiden Schichten erzeugt werden.
In dem dritten Verfahrensschritt wird ein Kern 13 aus Metallschaum auf die Faserverbundschicht 12 aufgelegt. Der Metallschaumkern 13 wurde vorher mittels Lichtbogenspritzen hergestellt. Zum Erzeugen des Kerns 13 wird ein Polyurethanschaum mit Metall, insbesondere mit einer Aluminiumzinklegierung, Kupfer oder Edelstahl besprüht. Solche Kerne sind beispielsweise in der WO 01/00355 A1 beschrieben.
Optional kann in einem vierten Verfahrensschritt eine zweite Faserverbundschicht 12 auf den Kern 13 aufgebracht werden, wie dies in der 2d dargestellt ist.
In dem fünften Verfahrensschritt wird, wie in 2e abgebildet, das Werkzeug mit einer oberen Werkzeughälfte 22 die einen Kern oder eine Patrize umfasst, verschlossen. Die in der Kavität 21 befindlichen Schichten 11, 12, 13 werden mit Druck und Temperatur beaufschlagt. Dabei werden zum einen die Schichten 11, 12, 13 konsolidiert und zum anderen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffschicht 11 und dem Harz der darauf liegenden Faserverbundschicht 12 erzeugt. Abschließend wird das Werkzeug geöffnet und das Sandwichbauteil 10 entnommen. Die Oberfläche des Sandwichbauteils 10, die auf der Oberfläche der Matrize auflag, bildet eine sichtbare Oberfläche des Sandwichbauteils.
In einer weiteren Alternative des Verfahrens, kann vor dem fünften Verfahrensschritt auf eine Oberfläche der oberen Werkzeughälfte 22, d.h. auf eine Oberfläche der Patrize oder des Kerns eine Kunststoffschicht aufgebracht werden, die aus dem gleichen Material besteht, wie die Kunststoffschicht 11. Das Werkzeug wird erst verschlossen wenn auch die Kunststoffschicht auf der oberen Werkzeughälfte 22 geliert ist. Somit erhält ein nach dieser Verfahrensalternative hergestelltes Kunststoffbauteil zwei sichtbare Oberflächen, die den Anforderungen an eine Class-A-Oberfläche genügen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (10), mit den Schritten: - Positionierung einer ersten Werkzeughälfte (20) mit einer Matrize (21), - Auftragen einer Kunststoffschicht (11) auf eine Oberfläche der Matrize (21), - Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer, zum Gelieren der Kunststoffschicht (11), - Einbringen einer Faserverbundschicht (12) in die Matrize (21) auf die Kunststoffschicht (11), - Schließen des Werkzeugs mit einer zweiten Werkzeughälfte (22), die als Kern und/oder Patrize ausgebildet ist, - Beaufschlagung der Schichten (11, 12) mit Druck und/oder Temperatur zur Erzeugung eines Sandwichhalbzeugs, wobei nach dem Gelieren die Kunststoffschicht (11) formstabil ist und eine reaktive Kapazität aufweist, um bei der Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur mit einer Matrix der Faserverbundschicht eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12) als Fasermatte, als Prepreg und/oder als Preform in die Matrize (21) der ersten Werkzeughälfte (20) eingebracht wird und nach dem Einbringen der Faserverbundschicht (12) ein Kern (13) aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur in die Matrize (21) der Werkzeughälfte (20) auf die Faserverbundschicht (12) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) mittels Lichtbogenspritzen hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Kern (13) eine weitere Faserverbundschicht (12) in die Matrize (12) der ersten Werkzeughälfte (21) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12) mehrere Lagen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Kerns (13) mehrere Lagen Metallschaum in die Matrize (21) der ersten Werkzeughälfte (20) eingelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftragen der Kunststoffschicht (11) dem Kunststoff Feststoffe beigemischt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht Polyurethan oder Epoxidharz umfasst.