DE102012220305A1

DE102012220305A1 - Sandwichbauteil

Info

Publication number: DE102012220305A1
Application number: DE201210220305
Authority: DE
Inventors: Bernd Lischo
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sandwichbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Kunststoffschicht (11), die eine schichtbare Oberfläche (11a) aufweist, einer Faserverbundschicht (12), die auf einer der sichtbaren Oberfläche (11a) gegenüberliegenden Seite der Kunststoffschicht (11) angeordnet ist, einem Kern (13), der an der Faserbundschicht (12) angeordnet ist, wobei der Kern (13) aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sandwichbauteil 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.
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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil 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 eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Sandwichbauteil für ein Kraftfahrzeug vor, mit einer Kunststoffschicht, die eine sichtbare Oberfläche aufweist, einer Faserverbundschicht, die auf einer der sichtbaren Oberfläche gegenüberliegenden Seite der Kunststoffschicht angeordnet ist und einem Kern, der an der Faserverbundschicht angeordnet ist, wobei der Kern aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur ausgebildet ist. Durch die offenporige Struktur sind alle Poren bzw. einzelnen Luftkammern zu einem großen Luftvolumen miteinander verbunden. Diese offenporige Struktur ähnelt der Ausbildung eines Fliegenschwamms, wie er zum Reinigen von Verunreinigungen an Fahrzeugen bekannt ist und bietet den Vorteil, dass bei Temperatur- oder Druckbeaufschlagung des Sandwichbauteils Luft oder ein anderes Fluid, welches sich in den Poren befindet, entweichen kann ohne auf die Kunststoffoberfläche Druck auszuüben und diese dadurch zu verformen.
Weiterhin kann die Kunststoffschicht aus Polyurethan oder einem Epoxidharz ausgebildet sein. Polyurethane oder Epoxidharze haben den Vorteil, dass sie temperaturbeständig sind und bei Beaufschlagung mit Temperatur eine gewisse Reststabilität aufweisen, wodurch die Oberfläche der Kunststoffschicht ihre vorbestimmte Form behält.
Weiterhin kann das Sandwichbauteil dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kunststoffschicht und die Faserverbundschicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, die Kunststoffschicht und die Matrix der Faserverbundschicht sind aus dem gleichen Material ausgebildet, nämlich Polyurethan oder Epoxidharz. Dadurch kann eine besonders innige und robuste Verbindung zwischen der Kunststoffschicht und der Faserverbundschicht erzeugt werden.
Weiterhin kann der Kern zwischen einer ersten Faserverbundschicht, die mit der Kunststoffschicht in Verbindung steht, und einer zweiten Faserverbundschicht angeordnet sein, wobei die zweite Faserverbundschicht auf einer der ersten Faserverbundschicht gegenüberliegenden Seite des Kerns angeordnet ist. Die zweite Faserverbundschicht verstärkt den Aufbau der Sandwichstruktur, so dass ein besonders robustes Sandwichbauteil realisiert wird.
Darüber hinaus kann in der zweiten Faserverbundschicht mindestens ein Durchlass vorgesehen sein, welcher die offenporige Struktur des Kerns mit der Umgebung des Sandwichbauteils fluidisch verbindet. Der Durchlass bietet den Vorteil, dass selbst bei einer geschlossenen Umkapselung des Kernes mit Faserverbundmaterial ein sich in den Poren des Kerns bildender Druck entweichen kann, da Fluide, wie Luft oder Flüssigkeiten, über die Durchlassöffnungen aus dem Kern entweichen.
Die Faserverbundschichten können mehrlagig aufgebaut sein. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Wahl der Anzahl und Ausrichtung der einzelnen Faserlagen die mechanischen Eigenschaften der Faserverbundschicht und damit die mechanischen Eigenschaften des Sandwichbauteils auf die gewünschten Lastfälle einstellbar sind.
Im Folgenden sollen die Vorteile der vorliegenden Erfindung kurz zusammengefasst werden. Durch die Verwendung der offenporigen Metallstruktur können eingeschlossene Luftvolumen bei Erwärmung expandieren. Die verwendeten Kunststoffe für die Kunststoffschicht sowie die verwendete Matrix der Faserverbundschicht bleibt 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 Formschluss mit einer im Folgeschritt aufgelegten Faserverbundschicht 12 ein zu gehen.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 01/00355 A1 [0025]

Claims

Sandwichbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug, mit – einer Kunststoffschicht (11), die eine schichtbare Oberfläche (11a) aufweist, – einer Faserverbundschicht (12), die auf einer der sichtbaren Oberfläche (11a) gegenüberliegenden Seite der Kunststoffschicht (11) angeordnet ist, – einem Kern (13), der an der Faserbundschicht (12) angeordnet ist, wobei der Kern (13) aus einem Metallschaum mit einer offenporigen Struktur ausgebildet ist.
Sandwichbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (11) aus Polyurethan oder Epoxidharz ausgebildet ist.
Sandwichbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (11) und die Faserverbundschicht (12) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Sandwichbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) zwischen einer ersten Faserverbundschicht (12), die mit der Kunststoffschicht (11) in Verbindung steht und einer zweiten Faserverbundschicht (12), angeordnet ist, wobei die zweite Faserverbundschicht auf einer der ersten Faserverbundschicht (12) gegenüberliegenden Seite des Kerns (13) angeordnet ist.
Sandwichbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Faserverbundschicht (12) mindestens ein Durchlass (14) vorgesehen ist, welcher die offenporige Struktur des Kerns (13) mit der Umgebung des Sandwichbauteils (10) fluidisch verbindet.
Sandwichbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12) mehrlagig aufgebaut ist.
Sandwichbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) aus mehreren Lagen Metallschaum ausgebildet ist.
Sandwichbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12) Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Aramid, Basalt, Sisal und/oder Hanf umfasst.