DE102013007283A1

DE102013007283A1 - Innenverkleidungsbauteil aus naturfaserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102013007283A1
Application number: DE201310007283
Authority: DE
Inventors: Thomas Hönig; Ulf Hillemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Innenverkleidungsbauteil für Kraftfahrzeuge, umfassend ein mit einer Deckschicht verpresstes Trägerteil, wobei das Trägerteil ein Verbundwerkstoff ist, der Naturfasern und Kunststofffasern beinhaltet und der Gewichtsprozentanteil der Naturfasern im Verbundwerkstoff höher ist als der Gewichtsprozentanteil der Kunststofffasern und dass die Deckschicht hydrophobierend ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Innenverkleidungsbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Innenverkleidungsbauteil für Kraftfahrzeuge, umfassend ein mit einer Deckschicht verpresstes Trägerteil, wobei das Trägerteil ein Verbundwerkstoff ist, der Naturfasern und Kunststofffasern beinhaltet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Innenverkleidungsbauteils.
Bauteile aus naturfaserverstärktem Kunststoff mit einer Deckschicht sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die DE 102 55 039 A1 ein flächig verpresstes Verbundstoffformteil im Schichtaufbau. Das Verbundstoffformteil besteht dabei aus einer hohlraumbildenden Kernlage, die zwischen zwei Schichten eines Naturfaser/Thermoplast-Verbundwerkstoffes angeordnet ist. Auf der der Kernlage abgewandten Seite ist zudem eine Vliesschicht oder eine Folie angeordnet. Die Vliesschicht dient zur optimalen Befestigung einer Dekorschicht auf dem Verbundstoffformteil. Die einzelnen Schichten des Verbundstoffformteils werden in eine Formpresse eingelegt und miteinander verpresst.
Die EP 0 650 828 A1 beschreibt einen Schichtkörper mit einem flächigen Trägerteil aus einem verfestigten Basisvlies mit einem Gehalt an thermoplastischen Kunststofffasern. Bei dem Schichtkörper ist in einem einzigen Press- oder Kaschiervorgang gleichzeitig die Verfestigung des Basisvlieses und dessen zuverlässige Verbindung mit temperaturempfindlichen Deckschichten möglich. Das Basisvlies kann aus naturfaserverstärktem Kunststoff bestehen, zudem ist eine Zwischenschicht aus Polyester vorgesehen. Diese Zwischenschicht soll eine gute Haftung zwischen dem Basisvlies und einer Deckschicht ermöglichen.
Bauteile aus naturfaserverstärktem Kunststoff können durch einen erhöhten Anteil an Naturfasern eine geringe Steifigkeit aufweisen. Zudem können Naturfasern durch den Kontakt mit Wasser aufquellen. Gerade im automobilen Anwendungsbereich bestehen aber Anforderungen, auch nach einer 24-stündigen Wasserlagerung die geforderten mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, ein Innenverkleidungsbauteil zu schaffen, das trotz Naturfaseranteil eine hohe Steifigkeit aufweist und bei Kontakt mit Wasser seine Form beibehält.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Innenverkleidungsbauteil für Kraftfahrzeuge, umfassend ein mit einer Deckschicht verpresstes Trägerteil, wobei das Trägerteil ein Verbundwerkstoff ist, der Naturfasern und Kunststofffasern beinhaltet und dass der Gewichtsprozentanteil der Naturfasern im Verbundwerkstoff höher ist als der Gewichtsprozentanteil der Kunststofffasern und dass die Deckschicht hydrophobierend ist. Naturfasern eignen sich besonders gut für den Einsatz in Innenverkleidungsbauteilen für Kraftfahrzeuge. Naturfasern splittern im Crashfall nicht. Bauteile mit einem hohen Anteil an Naturfasern sind zudem leichter und verfügen über eine gute Schalldämmung. Weiterhin sind Naturfasern kostengünstiger als Kunststofffasern und weisen besonders hohe ökologische Vorteile auf. Aus diesen Gründen ist es erstrebenswert, den Anteil an Naturfasern in naturfaserverstärkten Kunststoffbauteilen zu erhöhen. Verwendet werden im Stand der Technik bevorzugt naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile mit einer Verteilung von 50% Naturfasern und 50% Kunststofffasern. Ein Anteil von 50% Naturfasern nutzt besonders die ökologischen Potentiale nicht vollständig aus. Eine Erhöhung des Naturfaseranteils über den Anteil der Kunststofffasern ist deswegen erstrebenswert. Ein hoher Naturfaseranteil in Innenverkleidungsbauteilen birgt jedoch auch das Risiko, dass die Naturfasern im Bauteil übermäßig viel Wasser aufnehmen und aufquellen. Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, das Bauteil mit einer Deckschicht zu versehen die hydrophobierend wirkt. Neben der wasserabweisenden Wirkung verbessert die Deckschicht auch die mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Besonders die Formstabilität wird erhöht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Gewichtsprozentanteil der Naturfasern im Verbundwerkstoff 60–75%. Besonders vorteilhaft ist ein Gewichtsprozentanteil von 70% Naturfasern. Ein Anteil von 70% Naturfasern nutzt die ökologischen Vorteile ideal aus ohne sich negativ auf die Bauteileigenschaften auszuwirken. Die Verwendung eines Naturfaseranteils der weit über 70% liegt ist im automobilen Anwendungsbereich nicht sinnvoll. Liegt der Anteil der Naturfasern weit über 70% befinden sich nicht mehr ausreichend Kunststofffasern im Verbundwerkstoff, um die Naturfasern zu umschließen, das Bauteil würde keine ausreichende Festigkeit und Stabilität erreichen. Die im Verbundwerkstoff vorhandenen Kunststofffasern schmelzen während des Herstellungsprozesses auf und legen sich um die Naturfasern, die Kunststofffasern bilden eine Matrix, in die die Naturfasern eingebettet sind. Durch die anschließende Abkühlung erstarrt der Kunststoff und hält das Bauteil in der vorgegebenen Form. Die Kunststofffasern fixieren die Naturfasern in der gewünschten Anordnung und übertragen Kräfte zwischen den Fasern. Druckbeanspruchungen sowie Umgebungseinflüsse, wie dem Eindringen von Wasser, wird ebenfalls entgegen gewirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Deckschicht aus einem hydrophobierenden Vlies, wobei das hydrophobierende Vlies thermoplastisches Material enthält. Das thermoplastische Material ist aus einem Polyester/Polypropylen-Gemisch und weist ein Gewicht von 150 bis 200 gr/m² auf. Durch das Aufbringen eines solchen Vlieses auf den Verbundwerkstoff wird eine hydrophobierende Schicht erzeugt, die das Bauteil versiegelt. Das Polyester/Polypropylen-Gemisch schmilzt während der Herstellung des Innenverkleidungsbauteils auf und bildet dadurch eine wasserabweisende Schicht. Die Naturfasern kommen so nicht mit Wasser in Berührung. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Polyester/Polypropylen-Gemisches. Polyester ist polar ausgebildet, das heißt, die Sauerstoffatome sind negativ polarisiert, die benachbarten Kohlenstoffatome entsprechend positiv polarisiert, wodurch es starke zwischenmolekulare Kräfte gibt. Polypropylen hingegen ist unpolar ausgebildet. Ohne eine Polyester-Komponente würde ein aufgeschmolzenes, reines Polypropylen Vlies in den Verbundwerkstoff einsickern. Das Polyester hält durch seine Polarität das Polypropylen an der Oberfläche des Bauteils und verhindert das Einsickern der Polypropylen Fasern. Auch dadurch wird die hydrophobierende Wirkung des Vlieses erhöht. Besonders vorteilhaft ist es ebenfalls, dass durch das Aufbringen eines hydrophobierenden Vlieses eine Stabilisierung und Versteifung des Bauteils erfolgt. Das Polyester/Polypropylen-Gemisch kann beispielsweise in einem Verhältnis von 30% Polyester und 70% Polypropylen vorliegen.
Weiter bevorzugt ist die Verwendung von Sisal, Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Zellstoff, Kokos, Bagasse, Raps oder Abacá oder eine Mischung aus diesen Fasern als Naturfasern. Besonders die Verwendung von Rapsfasern ist ökologisch interessant, da die Primärpflanzenstoffe zum Beispiel der Lebensmittelproduktion zugeführt werden und das bislang ungenutzte Fasermaterial durch die Verwendung in Innenverkleidungsbauteilen einer Sekundärverwendung zugeführt werden kann.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Innenverkleidungsbauteils umfasst folgende Schritte: Zunächst wird der Verbundwerkstoff hergestellt, indem Naturfasern und Kunststofffasern zu einem losen Faserverbund durchmischt werden. Anschließend wird ein hydrophobierendes Deckvlies auf den Verbundwerkstoff aufgebracht, indem Deckvlies und Verbundwerkstoff mittels einer Nadelungstechnik miteinander verbunden werden. Durch die direkte Vernadelung des Vlieses mit dem Verbundwerkstoff wird eine besonders gute Verbindung zwischen dem Vlies und dem Verbundwerkstoff erreicht. Bei der Vernadelungstechnik wird der lose Faserverbund mittels einer Vielzahl von sich auf- und abbewegenden Nadeln durchstochen, wobei die Fasern miteinander verflochten oder verknotet werden. In einem weiteren Schritt wird der Verbundwerkstoff mit aufgebrachtem Deckvlies, im Weiteren als Halbzeug bezeichnet, in eine Heizpresse eingelegt und anschließend in einer Heizpresse vorverpresst. Der Pressdruck liegt bei etwa 100 Tonnen. Das Halbzeug wird dabei auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Schmelztemperatur der Kunststofffasern liegt. In der Heizpresse wird das Halbzeug bei 190°C bis 220°C etwa 30–40 Sekunden durchgeheizt. Die Kunststofffasern verflüssigen sich während dieses Vorganges und legen sich um die Naturfasern. Das thermoplastische Material des hydrophobierenden Vlieses verflüssigt sich ebenfalls. Anschließend wird die Heizpresse geöffnet und das Halbzeug in ein formgebendes Werkzeug überführt. In diesem Werkzeug wird das Halbzeug kalt verformt. Die Resthitze des Halbzeuges ist noch so groß, dass die Kunststoffbestandteile noch in verformbarem Zustand sind und eine Verformung des Halbzeugs in der Formpresse gut möglich ist. In der Formpresse wird das Halbzeug in die spätere Form des Innenverkleidungsbauteils überführt. Die Kunststofffasern kühlen aus und verfestigen sich. Das Innenverkleidungsbauteil erlangt so seine dauerhafte Form und Festigkeit. Besonders vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass das hydrophobierende Vlies bereits während der Herstellung des Naturfaserverbundwerkstoffes mit vernadelt wird. So wird eine besonders gute Haftung zwischen dem Vlies und dem Verbundwerkstoff erreicht, die hydrophobierende Wirkung ist deswegen besonders gut. Im Gegensatz zum separaten Einlegen eines Vlieses in die Heizpresse wird bei diesem Vorgehen kein zusätzlicher Prozessschritt benötigt, zudem ist die Haftung zwischen Vlies und Verbundwerkstoff bei einem zusätzlich eingelegten Vlies geringer als in der erfindungsgemäßen Lösung.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Verfahren zur Herstellung eines Innenverkleidungsbauteils;
2 ein Innenverkleidungsbauteil mit hydrophobierenden Vlies
In der 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Innenverkleidungsbauteils dargestellt. In einem vorgelagerten, hier nicht dargestellten Schritt, werden Naturfasern und Kunststofffasern zu einem losen Faserverbund durchmischt. Auf den so hergestellten Verbundwerkstoff 1 wird in einem ersten Schritt ein hydrophobierendes Vlies 2 aufgelegt. Vlies 2 und Verbundwerkstoff 1 werden in einem zweiten Schritt miteinander vernadelt. Durch die direkte Vernadelung des Vlieses mit dem Verbundwerkstoff wird eine besonders gute Verbindung zwischen dem Vlies 2 und dem Verbundwerkstoff 1 erreicht. Vlies und Verbundwerkstoff werden im Weiteren als Halbzeug 9 bezeichnet. Bei der Vernadelungstechnik wird der lose Faserverbund mittels einer Vielzahl von sich hin- und herbewegenden Nadeln 3 durchstochen, wobei die Fasern miteinander verflochten oder verknotet werden. Die Fasern des Halbzeugs 9 werden durch Nadeln 3 spezieller Geometrie verschlungen. Dabei durchstechen die mit Widerhaken 8 ausgeführten Nadeln 3 das Halbzeug 9 und verdichten es. Jede Nadel 3 ist zentrisch zu ihren Bohrungen in Niederhalter 4 und Stichplatte 5 positioniert. Die Stichplatte 5 stützt das Halbzeug 9 gegen Einstichkräfte von oben. Der parallel darüber angeordnete Niederhalter 4 streift es gegen die Rückzugskräfte der Nadeln 3 ab. Die Nadeln 3 treffen auf die Vliesoberfläche, verdrängen die Fasern und bilden so einen Einstichkanal. Mit dem Zug der Fasern nach unten werden alle Faserschichten des Vlieses 2 und des Verbundwerkstoffes 1 verdichtet. Das Halbzeug 9 hat nun eine Plattenform und kann grob auf Bauteilgröße zugeschnitten werden. Das fertig vernadelte Halbzeug 9 wird in einem dritten Schritt an eine Heizpresse 6 übergeben. In der Heizpresse 6 wird das Halbzeug 9 vorverpresst. Dazu wird das Halbzeug 9 auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Schmelztemperatur der Kunststofffasern liegt. In der Heizpresse 6 wird das Halbzeug 9 bei 190°C bis 220°C etwa 30–40 Sekunden durchgeheizt. Die Kunststofffasern verflüssigen sich während dieses Vorganges und legen sich um die Naturfasern. Das thermoplastische Material des hydrophobierenden Vlieses 2 verflüssigt sich ebenfalls. Das Halbzeug wird in der Heizpresse 6 zudem vorverdichtet. In einem nächsten Schritt wird das vorverpresste und noch warme Halbzeug 9 in eine Formpresse 7 überführt. Dort erfolgt die Formgebung des Innenverkleidungsbauteils 10. Der erstarrende Kunststoff fixiert und stützt die Fasern und schützt vor Umgebungseinflüssen. Das aufgebrachte hydrophobierende Vlies 2 schützt zusätzlich vor eindringendem Wasser. So wird vermieden, dass die Naturfasern durch den Kontakt mit Wasser aufquellen. Bei einer längeren Wassereinwirkung wie sie beispielsweise in einem 24 Stunden Wasserlagerungstest oder auch durch eindringendes Wasser etwa durch Fensterschlitze eines Kraftfahrzeuges auftreten, wird ein aufquellen der Fasern vermieden. Das Bauteil behält auch bei längerer Wassereinwirkung seine Form und Festigkeit. Durch das Einbringen des Vlieses 2 in einem frühen Herstellungsschritt wird die Produktion eines Innenverkleidungsbauteils mit hydrophobierenden Vlies ermöglicht, ohne dass bestehende Prozesse angepasst werden müssen, um das zusätzliche Vlies aufzubringen.
Die 2 zeigt das erfindungsgemäße Innenverkleidungsbauteil 10. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Türinnenverkleidung eines Kraftfahrzeugs. Türinnenverkleidungen eignen sich gut für eine Ausgestaltung aus naturfaserverstärktem Kunststoff, da so eine gute Schalldämmung realisiert werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Naturfasern im Crashfall nicht splittern, das Innenverkleidungsbauteil 10 mit hydrophobierenden Vlies 2 weist so besonders gute Eigenschaften im Seitencrash auf. Durch die erhöhte Festigkeit des Bauteils, können Missbrauchs-Kräfte wie sie beim Öffnen und Schließen einer Tür häufig vorkommen, besser kompensiert werden. Es sind jedoch auch vielfältige weitere Anwendungsbereiche wie beispielsweise Armauflagen, Kartentaschen, Armaturenblenden, Verkleidungen der A-, B-, C- und D-Säulen von Kraftfahrzeugen, Dachverkleidungen, Auskleidungen des Kofferraumes oder Hutablagen denkbar. Das Vlies 2 wird einseitig aufgebracht. Die Seite mit dem Vlies 2 ist im späteren Bauteil diejenige Seite, welche dem Innenraum eines Fahrzeuges abgewandt ist. Der Einsatz an dieser Position ist besonders sinnvoll. Bei geöffnetem Fenster besteht die Gefahr, dass durch den Fensterspalt eindringendes Wasser mit Kontakt mit dem Innenverkleidungsbauteil kommt. Die hydrophobierende Schicht sorgt dafür, dass eindringendes Wasser das Bauteil nicht aufquellen lässt. Die mechanischen Eigenschaften, die besonders im Crashfall von hoher Relevanz sind, bleiben so langfristig erhalten. Das einseitige Aufbringen des hydrophobierenden Vlieses 2 hat weiterhin den Vorteil, dass Ober- und Unterseite während der Weiterverarbeitung besser zu unterscheiden sind. Fehler in der Weiterverarbeitung können so vermieden werden. In vielen Fällen wird auf das Innenverkleidungsbauteil 10 eine zusätzliche Dekorschicht aufgebracht. Die Dekorschicht enthält ein zusätzliches Vlies, das bei entsprechender Ausgestaltung ebenfalls eine hydrophobierende Wirkung erzielt. Ebenfalls ist es möglich, das hydrophobierende Vlies beidseitig auf das Innenverkleidungsbauteil aufzubringen.
Bezugszeichenliste

1: Verbundwerkstoff
2: Vlies
3: Nadel
4: Niederhalter
5: Stichplatte
6: Heizpresse
7: Formpresse
8: Widerhaken
9: Halbzeug
10: Innenverkleidungsbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10255039 A1 [0002]
EP 0650828 A1 [0003]

Claims

Innenverkleidungsbauteil für Kraftfahrzeuge, umfassend ein mit einer Deckschicht verpresstes Trägerteil, wobei das Trägerteil ein Verbundwerkstoff ist, der Naturfasern und Kunststofffasern beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsprozentanteil der Naturfasern im Verbundwerkstoff höher ist als der Gewichtsprozentanteil der Kunststofffasern und dass die Deckschicht hydrophobierend ist.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsprozentanteil der Naturfasern im Verbundwerkstoff 60–75% beträgt.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus einem hydrophobierenden Vlies ist.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobierende Vlies thermoplastisches Material enthält.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material ein Gemisch aus Polyester und Polypropylen ist.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobierende Vlies ein Flächengewicht von 150 bis 200 gr/m² aufweist.
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff des Trägerteils miteinander durchmischte Naturfasern und ein Matrix-Material bildende Kunststofffasern enthält, wobei die Naturfasern und die Kunststofffasern mittels Nadelungstechnik miteinander verbunden sind
Innenverkleidungsbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern aus Sisal, Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Zellstoff, Kokos, Raps, Bagasse, Abacá oder einer Mischung aus diesen Fasern bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines Innenverkleidungsbauteils für Kraftfahrzeuge, umfassend folgende Schritte: a) Herstellen eines Verbundwerkstoffes, indem Naturfasern und Kunststofffasern zu einem losen Faserverbund durchmischt werden; b) Aufbringen eines hydrophobierenden Deckvlieses auf den Verbundwerkstoff, indem Deckvlies und Verbundwerkstoff mittels einer Nadelungstechnik miteinander verbunden werden c) Einlegen des Verbundwerkstoffes mit aufgebrachtem Deckvlies in eine Heizpresse; d) Vorverpressen des Verbundwerkstoffes mit aufgebrachtem Deckvlies in der Heizpresse, indem Verbundwerkstoff und Deckvlies auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb der Schmelztemperatur der Kunststofffasern liegt; e) Öffnen der Heizpresse und Überführung des Verbundwerkstoffes mit aufgebrachtem Deckvlies in ein formgebendes Werkzeug, indem Verbundwerkstoff und Deckvlies kalt verformt werden.