DE102013013128A1

DE102013013128A1 - Mehrlagiges flächiges Verbundbauteilhalbzeug mit expandierbarer Kernlage sowie mehrlagiges Verbundbauteil mit expandierter Kernlage

Info

Publication number: DE102013013128A1
Application number: DE102013013128.6A
Authority: DE
Inventors: Günter Müller; Andreas Hofenauer; Alexander Brosius
Original assignee: PAPIERTECHNISCHE STIFTUNG
Current assignee: PAPIERTECHNISCHE STIFTUNG
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteilhalbzeug, das wenigstens abschnittsweise eine zwischen zwei Decklagen eingeschlossene expandierbare Kernlage aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteil, das wenigstens abschnittsweise eine zwischen zwei Decklagen eingeschlossene expandierte Kernlage aufweist. Letztlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils aus einem erfindungsgemäßen Halbzeug, das eine Aktivierung des Halbzeugs umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteilhalbzeug sowie ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils aus dem Halbzeug.
Verbundbauteile wie beispielsweise Doppelbleche können derzeit nicht in einem kontinuierlichen Prozess umgeformt werden. In der Regel werden daher die Einzellagen des Verbundbauteils getrennt geformt und im geformten Zustand nachträglich zusammengefügt. Dies bedeutet einen erheblichen Mehraufwand im Herstellungsprozess. Zudem existiert derzeit keine zufriedenstellende Möglichkeit, ein im Verbund umgeformtes Bauteil nachträglich gezielt auszusteifen.
Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verbundbauteilhalbzeug bereitzustellen, das in einem einzigen Prozessschritt zu einem fertigen Verbundbauteil umgeformt werden kann, d. h. wobei die Einzellagen nicht mehr separat, sondern gleichzeitig umgeformt werden. Ferner sind das so hergestellte Verbundbauteil und das Verfahren zu dessen Herstellung aus dem Halbzeug Gegenstand der Erfindung.
Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteilhalbzeug, das wenigstens abschnittsweise eine zwischen zwei Decklagen eingeschlossene expandierbare Kernlage, d. h. eine Kernlage aus einem expandierbaren Material aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein mehrlagiges flächiges Verbundbauteil, das wenigstens abschnittsweise eine zwischen den Decklagen eingeschlossene expandierte Kernlage, d. h. eine Kernlage aus einem expandierten Material aufweist. Aufgrund der expandierten Kernlage ist das Verbundbauteil vorzugsweise ausgesteift.
Letztlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils aus einem erfindungsgemäßen Halbzeug, wobei das Verfahren eine wenigstens abschnittsweise, d. h. vollflächige oder partielle Aktivierung des Halbzeugs bzw. genauer gesagt der expandierbaren Kernlage des Halbzeugs umfasst. Es kann sich dabei um ein Verfahren zum Aussteifen des Halbzeugs handeln.
Das erfindungsgemäße Bauteil und das erfindungsgemäße Halbzeug weisen also eine obere und untere Decklage (D) sowie eine wenigstens abschnittsweise dazwischen eingebettete Kernlage (K) auf. Beispielsweise können das Bauteil bzw. Halbzeug wenigstens abschnittsweise aus diesen drei Lagen bestehen, sodass es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauteil bzw. Halbzeug um ein solches mit einer Struktur D-K-D handelt. Selbstverständlich sind auch mehr als drei Lagen denkbar. Die Decklagen müssen also nicht zwingend die Oberflächen des Bauteils bzw. Halbzeugs darstellen, sondern können ihrerseits von einer weiteren Schicht bedeckt sein. Beispielsweise ist eine Konfiguration D-K-D-K-D denkbar. Ferner ist denkbar, dass zwischen den Decklagen nicht nur die expandierbare bzw. expandierte Kernlage eingeschlossen ist, sondern auch eine weitere (Mittel-)lage. Diese kann zusätzlich in denselben Abschnitten des Bauteils bzw. Halbzeugs wie die expandierbare bzw. expandierte Kernlage vorhanden sein, kann aber alternativ oder zusätzlich auch Abschnitte des Bauteils bzw. Halbzeugs umfassen, in denen eine expandierbare bzw. expandierte Kernlage nicht vorhanden ist.
In einer Ausführungsform sind die beiden Decklagen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden. Die Verbindung kann formschlüssig oder kraftschlüssig sein. Ausführungsbeispiele für eine derartige Verbindung beinhalten eine Schweißverbindung, eine Falzverbindung, eine Nietverbindung oder eine Klebeverbindung. Die Verbindung kann punktuell, entlang einer Linie, ggf. in Mustern, oder flächig erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass die expandierbare Kernlage bzw. expandierte Kernlage sich nur in Bereichen befindet, in denen die Decklagen nicht miteinander verbunden sind. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Decklagen anhand mehrerer gerader oder gekrümmter Linien verbunden sind und ggf. zwischen den Linien Kammern bilden, in denen die Decklagen nicht verbunden sind. Es kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die expandierbare Kernlage bzw. expandierte Kernlage lediglich in diesen Kammern vorhanden ist. Dadurch kann ein flaches Bauteil ausgesteift werden, d. h. die lokale Steifigkeit kann gezielt erhöht werden.
In einer Ausführungsform weist das Bauteil wenigstens eine Biegung bzw. Kantung auf. Die Biegung bzw. Kantung stellt eine Umformung des flächigen Verbundbauteils dar, welche beispielsweise durch Biegen bzw. Profilieren erhalten werden kann. Der Begriff „flächig” bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Grundgestalt des Bauteils und bezeichnet daher auch ein gebogenes bzw. profiliertes flächiges Bauteil, das nach diesem Arbeitsschritt eine dreidimensionale Gestalt hat.
Im Rahmen der Erfindung kann auch eine partielle Aussteifung des Verbundbauteils vorgesehen sein. Dadurch werden gezielt lokal variierende Steifigkeiten erzeugt.
Die expandierte Kernlage dient im Rahmen eines möglichen Biege- bzw. Profilierprozesses auch als Gleitschicht und ermöglicht das gleichzeitige Biegen bzw. Profilieren beider Decklagen, beispielsweise eines Doppelblechs. Sie ermöglicht zum einen eine Gleitbewegung zwischen den Decklagen. Die Kernlage expandiert dann bei der Aktivierung und erlaubt im Nachhinein die Erzeugung gezielt einstellbarer Abstände und die gezielte Einstellung von Steifigkeitseigenschaften des Verbundbauteils. Durch die Erfindung wird daher die Möglichkeit geschaffen, einen Mehrlagenverbund in einem einzigen Herstellungsschritt umzuformen und nachträglich gezielt und vollflächig oder zumindest örtlich begrenzt auszusteifen. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil kann also in einem kontinuierlichen Verfahren dreidimensional geformt und ausgesteift werden. Es kann beispielsweise im Fahrzeugbau, im konstruktiven Leichtbau, im Bauwesen, in der Architektur oder im Bereich der sogenannten weißen Ware verwendet werden.
In einer Ausführungsform besteht die Kernlage aus einem Papier, das expandierbare bzw. expandierte Mikrokörper aufweist. Das Papier weist Fasern und Bindemittel auf, und weist ypischerweise ferner Additive und Füllstoffe auf. Bei den Fasern geeigneter Papiere kann es sich um Naturfasern (z. B. Zellstoff, Flachs, Hanf) oder Synthesefasern (z. B. Aramith, PP, PE, Biko-Fasern, Basaltfasern, Glasfasern, Kohlestofffasern, Keramikfasern) handeln. Auch der Einsatz von mehreren der genannten Fasern ist denkbar und von der Erfindung umfasst. Bei dem Bindemittel kann es sich beispielsweise um ein duroplastisches und/oder ein thermoplastisches Harz und/oder einen anorganischen Binder handeln. Auch der Einsatz von mehreren Bindemitteln ist denkbar und von der Erfindung umfasst. Geeignete Additive umfassen beispielsweise Flockungsmittel, Fixiermittel, Retentionsmittel, Nassfestmittel, Flammschutzmittel und Dispergiemittel. Geeignete Füllstoffe umfassen anorganische Füllstoffe wie beispielsweise keramische, metallische und sylikatische Füllstoffe, oder organische Füllstoffe wie beispielsweise thermoplastische Füllstoffe, Zellulose-basierte Füllstoffe und Lignin-basierte Füllstoffe. Der Einsatz von mehreren Füllstoffen ist denkbar und von der Erfindung umfasst.
Geeignete Additive umfassen insbesondere auch ungeladenen oder geladenen Latex, ungeladene oder geladene Stärke und geladenes oder ungeladenes Guar. Dadurch kann die Maschinengängigkeit des erfindungsgemäßen Halbzeugs signifikant verbessert werden.
Die Mikrokörper sind vorzugweise gleichmäßig in der Kernlage bzw. im Papier verteilt. Deren Anteil in der Matrix der Kernlage bzw. der Papiermatrix kann zwischen 5 und 90 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 20 und 80 Gewichtsprozent, und besonders bevorzugt zwischen 50 und 80 Gewichtsprozent gemessen am Gewicht der Kernlage bzw. des trockenen Papiers betragen. Im nicht expandierten Zustand können geeignete Mikrokörper einen Durchmesser von 1 μm bis 200 μm, von 5 μm bis 40 μm, oder von 8 μm bis 20 μm aufweisen. Denkbar ist der Einsatz von Mikrokörpern, bei denen sich das Volumen bei Aktivierung, beispielsweise unter Temperatureinwirkung im Mittel um mehr als das Dreifache oder vorzugsweise das Zehnfache erhöht.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den expandierbaren bzw. expandierten Mikrokörpern um thermisch expandierbare bzw. expandierte Mikrokörper. Als alternative Möglichkeit können Mikrokörper vorgesehen sein, die mittels Ultraschall expandierbar sind.
Bevorzugt ist der Einsatz von thermisch expandierbaren bzw. expandierten Mikrosphären. Geeignete Mikrossphären umfassen beispielsweise sphärisch geformte Kunststoffkugeln, die aus einer Polymerschicht bestehen, in der ein Expansionsgas eingeschlossen ist. Die Polymerschicht kann aus einem thermoplastischen Polymer bestehen. Als Expansionsgas im Inneren der Mikrosphären eignen sich leicht flüchtige Stoffe oder Gase, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Ether, oder halogenierte Kohlenwasserstoffe.
In einer Ausführungsform weist das Papier als Füllstoff wenigstens ein PCM (Phase Change Material) auf. Dabei kann es sich um ein Paraffin oder ein Salzhydrat handeln. Es kann gekapselt oder ungekapselt in der Papiermatrix vorliegen.
In einer Ausführungsform besteht wenigstens eine, vorzugsweise beide Decklagen des Bauteils bzw. Halbzeugs aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Metall, Keramik, Glas, Holz oder Kunststoff. Bevorzugt ist es, dass beide Decklagen aus Metall bestehen, so dass es sich bei dem Halbzeug bzw. dem Bauteil um ein Doppel- bzw. Mehrfachblech handelt. Auch können die Decklagen eine faserige Struktur aufweisen und/oder heterogen gefertigt sein. Denkbar ist dabei ein Faserverbund wie beispielsweise faserverstärkter Kunststoff (Kohlefaser, Glasfaser, Aramidfaser).
In einer Ausführungsform weist die (unexpandierte) Kernlage im Halbzeug eine Stärke von zwischen 0,1 und 10 mm, bevorzugt von 0,5 bis 2 mm, und besonders bevorzugt von 0,7 bis 1 mm auf. Bei Aktivierung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Stärke um den Faktor 5 bis Faktor 50 und bevorzugt um den Faktor 10 und 25 zunehmen. Die (expandierte) Kernlage im Verbundbauteil kann also zwischen 5- und 50-mal stärker und vorzugsweise zwischen 10- und 25-mal stärker sein.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Halbzeug gezielt ausgesteift.
Im Falle eines nur abschnittsweisen Vorhandenseins der expandierten Kernlage im Bauteil umfasst die Erfindung in einer Ausführungsform die folgenden zwei Möglichkeiten, wie eine derartige Konfiguration erreicht werden könnte. In einer ersten Möglichkeit ist die expandierbare Lage im Halbzeug nur in dem entsprechenden Abschnitt bzw. Teilbereich des Halbzeugs vorhanden, beispielsweise in einem Bereich, der versteift werden soll oder in einem Bereich, in dem die Decklagen nicht verbunden sind (ggf. im Bereich einer oder mehrerer der oben in diesem Zusammenhang beschriebenen Kammern). In einer zweiten Möglichkeit ist die expandierbare Lage im Halbzeug über diesen Abschnitt bzw. Teilbereich des Halbzeugs hinaus, ggf. über die gesamte Fläche des Halbzeugs vorhanden, und die Aktivierung erfolgt nur in dem betreffenden Abschnitt bzw. Teilbereich. Die Kernlage kann im Verbundbauteil also beispielsweise lediglich inselförmig oder lediglich bahnförmig oder auch über die gesamte Ausdehnung des Bauteils expandiert werden.
In einer Ausführungsform geht der Aktivierung ein Biegen bzw. Profilieren des Halbzeugs voraus.
In einer Ausführungsform geht der Aktivierung und ggf. dem Biegen bzw. Profilieren ein Verbinden beider Decklagen des Halbzeugs voraus, insbesondere ein kraftschlüssiges oder formschlüssiges Verbinden. Selbstverständlich kann das Verbinden auch nach einem ggf. durchgeführten Biegen bzw. Profilieren erfolgen. Beispielsweise kann die Verbindung durch Schweißen (ggf. Punktschweißen), Falzen, Nieten oder Kleben hergestellt sein. Die Verbindung kann punktuell, entlang einer Linie, ggf. in Mustern, oder flächig erfolgen. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Decklagen anhand mehrerer gerader oder gekrümmter Linien verbunden werden. Es kann vorgesehen sein, dass die expandierbare Kernlage des Halbzeugs lediglich in Bereichen expandiert wird, in denen die Decklagen nicht miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass es sich bei dem Verfahren um ein kontinuierliches Verfahren handelt, d. h. dass das verbundene und/oder gebogene bzw. profilierte Halbzeug direkt und kontinuierlich einer Aktivierung unterzogen wird.
Das Biegen bzw. Profilieren kann beispielsweise ein Walzprofilieren umfassen. Diese Profilierungsart eignet sich insbesondere zur Eingliederung in einen kontinuierlichen Prozess. Selbstverständlich sind aber auch andere Formgebungsverfahren von der Erfindung umfasst.
In einer Ausführungsform erfolgt die Aktivierung nur abschnittsweise. Es kann also lediglich eine lokale Aktivierung einer im Halbzeug über diesen speziellen Bereich hinaus vorhandene Kernlage erfolgen.
Bei der Aktivierung kann es sich um eine thermische Aktivierung handeln, wobei hiervon im Speziellen auch eine Aktivierung mittels Dampf, Mikrowellen, Laser oder Infrarot umfasst ist. Diese Aktivierungsarten haben den Vorteil, dass eine punktuelle Aktivierung möglich ist. Soweit also eine Aktivierung nur im Bereich der Kantung vorgesehen ist, bieten diese Verfahren eine geeignete Grundlage. Bei der thermischen Aktivierung kann die Kernlage beispielsweise auf Temperaturen von zwischen 90°C und 250°C, vorzugsweise zwischen 120°C und 230°C und weiter vorzugsweise auf zwischen 140°C und 210°C erhitzt werden. Eine alternative Möglichkeit der Aktivierung zur thermischen Aktivierung ist beispielsweise eine Aktivierung per Ultraschall.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus dem im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiel und den Figuren. In den Figuren zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mehrlagigen Verbundbauteils in Form eines offenen Winkelblechs;
2: eine schematische Darstellung der Wälzprofilierung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs (Quelle der Abbildung: ILU Dortmund);
3: verschiedene Darstellungen der Kernlage eines erfindungsgemäßen Halbzeugs bzw. Bauteils im expandierten und unexpandierten Zustand;
4: einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil;
5: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mehrlagigen Verbundbauteils mit Wabenstruktur;
6: eine Darstellung eines mehrlagigen Verbundbauteils in Form einer geschlossenen Wabenstruktur; und
7: eine Darstellung eines mehrlagigen Verbundbauteils in Form eines offenen Winkelblechs.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei es sich bei dem Schritt I um einen Profilierungsschritt und bei dem Schritt II um einen Aktivierungsschritt handelt.
In der linken Abbildung ist ein erfindungsgemäßes Halbzeug gezeigt, der zwei Decklagen 1a und 1b und eine unexpandierte Kernlage 2a umfasst. In der mittleren Abbildung von 1 ist ein profiliertes Halbzeug gezeigt, das aus dem Halbzeug der linken Abbildung durch Profilieren erhalten wurde. Eine der im Rahmen des Profilierungsschrittes 1 hergestellten Kantungen ist mit dem Bezugszeichen 3 markiert.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Profilierungsschrittes, der im Ausführungsbeispiel als Wälzprofilierschritt durchgeführt wurde. In 2 kann die Profiliermaschine erkannt werden, wobei die Drehrichtung der zylindrischen und konischen Walzen 2 und die Vorschubrichtung des Halbzeugs mit den Pfeilen gekennzeichnet ist. Dieser Schritt erfolgt in einer an sich aus dem Stand der Technik bekannten Weise, wobei das gleichzeitige Umformen beider Einzellagen 1a und 1b eine Besonderheit darstellt.
In der rechten Abbildung von 1 ist das Verbundbauteil gezeigt, das nach thermischem Aktivieren II des Halbzeugs bzw. genauer gesagt der Kernlage im Bereich der umgeformten Abschnitte erfolgt. Die expandierte Kernlage ist mit dem Bezugszeichen 2b bezeichnet. Die Aktivierung kann, wie in der Figur schematisch dargestellt ist und wie im Ausführungsbeispiel angewandt, lediglich im Bereich des rinnenförmigen Profils erfolgen. Eine selektive Versteifung ist jedoch ebenso denkbar und von der Erfindung umfasst wie eine Aktivierung der Kernlage über der gesamten Fläche des Halbzeugs.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgen der Umformungsschritt I und der Aktivierungsschritt II kontinuierlich.
3a bis 3c zeigen das Papierhalbzeug 2, welches die Kernlage darstellt, in einem unexpandierten (2a) und expandierten (2b) Zustand. Das Halbzeug kann, wie in 3c gezeigt, im expandierten Zustand eine Stärke von etwa 1,5 cm erreichen. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diesen speziellen Zahlenwert beschränkt.
Letztlich zeigt 4 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil im Abschnitt, in dem zwischen zwei Decklagen 1a und 1b die expandierte Kernlage 2b vorhanden ist.
Ausführungsbeispiel zur Herstellung des unexpandierten Papierhalbzeugs 1. Materialien
Als Faserstoff kommt eine Mischung aus 60% Langfaserzellstoff (ZPR Tear) und 40% Kurzfaserzellstoff (Fibria) zum Einsatz. Als expandierbare Mikrorohkugeln kommt ein Produkt der Firma Akzo Nobel zur Anwendung (Expancel 920 WUF 40). Ferner kommen kationische Maisstärke (Cargill Bond HR 05946) als Flockungsmodulator sowie Latex der Firma Emerald (Nychem) als anionisches- und Percol 540 (BASF) als kationisches Retentionsmittel zum Einsatz.
2. Rezeptur:
Die verwendete Papierrezeptur ist in der nachfolgenden Tabelle beschrieben.

Prozentualer Anteil bezogen auf die Trockenmasse des Gesamtpapiers

Zellstoff (KF:LF) 40:60 17,45

kationische Stärke 0,50

Expancel 920 WUF 40 80,00

Latex Nychem 2,00

Percol 540 0,050
3. Papierparameter
Als Ziel-Flächengewicht für das Papier sind 300 g/m² vorgesehen. Die Gesamtretention des unexpandierten Rohpapiers liegt bei 94%.
4. Herstellungsprozess
Als Vorbereitung für die Blattbildung wird der Zellstoff mit einem Desintegrator bei einer Stoffdichte von 2,5% für 10 min aufgeschlagen. Die Mischung der beiden Zellstofftypen erfolgt dabei in einem Verhältnis LF:KF von 60:40. Anschließend wird der Zellstoff auf 0,5% verdünnt. Die Mikrosphären werden direkt eingewogen und in Leitungswasser unter Rühren in Suspension gehalten. Kationische Stärke wird im Verhältnis 1:50 mit Leitungswasser unter Rühren bei 95°C für 60 min aufgekocht und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei Bedarf kann danach über ein Schopper-Riegler Sieb filtriert werden. Die Verdünnung des Latex erfolgt mit deionisiertem Wasser auf 1:10 Handelsware. Percol 540 wird in Leitungswasser gelöst (0,5 g Percol/1000 g Leitungswasser) und mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 4,5 zur Stabilisierung eingestellt.
Zur Blattbildung wird der eingewogene Zellstoff 30 Sekunden lang mit Stärke versetzt, bevor die Mikrosphären als Suspension zum Zellstoff beigemischt werden. Nach Zugabe der Mikrosphären wird der Latex der Fasermischung zugesetzt. Damit der Latex die Fasern ausreichend überziehen kann, wird anschließend eine halbe Minute abgewartet. Danach wird als Retentionsmittel Percol zudosiert, damit die Fasern gemeinsam mit den in den Faserstoff eingearbeiteten Mikrosphären retendiert werden. Aus der gesamten Faserstoffsuspension wird mit dem Rapid Köthen Verfahren (DIN EN ISO 5269-2) ein Papier hergestellt. Das Papier wird mit einem Gautschkarton abgegautscht und anschließend getrocknet.
Die Trocknung erfolgt, ohne Aktivierung der Mikrosphären, indem das Papier zwischen 2 Gautschkartons bei 105°C im Trockenschrank für 10 min gelagert wird.
Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines einlagigen, expandierten Papierhalbzeugs
Materialien, Rezeptur und Papierparameter für das expandierte Papierhalbzeug sind analog zu dem unexpandierten Halbzeug zu verwenden.
1. Herstellungsprozess
Die Mikrosphären im unexpandierten Rohpapier werden durch erneutes Trocknen bei höherer Temperatur aktiviert. Für die Aktivierung der Mikrosphären wird das vorgetrocknete Rohpapier für 3 min bei 195°C im Trockenschrank getrocknet. Dadurch wird das Papier durch die Expansion der Mikrorohkugeln aufgeschäumt. Die Dicke des Werkstoffs nimmt dabei von ca. 0,7 mm (Rohpapier) auf ca. 15 mm (expandierte Papierlage) zu, was einem Dickenzuwachs um mehr als das 20-fache entspricht.
3a und 3c verdeutlichen den Effekt vom Rohpapier zum expandierten Papierhalbzeug unter Einsatz der im Rahmen des Ausführungsbeispiels beschriebenen Rezeptur und Herstellungsparameter.
Erfolgt die Trocknung des Papiers zusätzlich zwischen zwei losen Decklagen mit je 75 g (vorzugsweise aus Blech), ist eine besonders gleichmäßige Expansion des Papiers, ohne auftraten von Welligkeiten, feststellbar. Die während der Trocknung aufgebrachten Decklagen bedingen in diesem Zusammenhang durch ihr Gegengewicht somit eine homogenere Expansion der Mikrosphären. Sie werden nach der Trocknung wieder entfernt.
Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines mehrlagigen Verbundbauteils mit einer geschlossenen Wabenstruktur
1. Verwendete Materialien
Als Werkstoffe kommen zwei Stahlhalbzeuge in Tiefziehgüte mit der Ausgangsblechdicke von 0,25 mm zum Einsatz (DC04, s₀ = 0,25 mm). Die Stahlwerkstoffe weisen eine Beschichtung auf, die als optional angesehen wird und im Sinne der Verbundherstellung keine Funktion übernimmt. Die Gebrauchseigenschaften (z. B. Korrosionsschutz) können dadurch aber positiv beeinflusst werden.
2. Herstellungsprozess
5 verdeutlicht die Herstellung des mehrlagigen Verbundbauteils grafisch am Beispiel einer Wabenstruktur (geschlossene Struktur). Hierzu wird zwischen mindestens zwei ebenen Blechen das zuvor im Rahmen des Ausführungsbeispiels beschriebene, nicht expandierte Papier eingebracht und mittels Widerstands-Punktschweißen, und einer dadurch nahezu beliebig herstellbarer Form der geschlossenen Kavität, verbunden. Es schließt sich eine optionale Umformoperation (z. B. Biegen) sowie eine globale (optional lokale) Wärmebehandlung, hier bei 150°C bei einer Dauer von 2 min, an.
3. Erzielbare Effekte
Infolge der globalen Wärmebehandlung expandiert das Papier um ca. 5 bis 7 Millimeter in Richtung des Mehrlagenverbunds (normal zur Papierebene). Die Expansion in Papierebene findet ebenfalls statt. Der damit erzielbare Steifigkeitszuwachs ist der angestrebte Effekt und ist bauteil- bzw. geometrieabhängig, hängt aber nicht-linear mit dem durch das Expandieren erzielten Abstand zusammen. 6 verdeutlicht die beschriebenen Effekte.
Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines mehrlagigen Winkelblechs mit einer offenen Struktur
1. Verwendete Materialien
Als Werkstoffe kommen zwei zuvor mit der Wabenstruktur beschriebene Stahlhalbzeuge zum Einsatz.
2. Herstellungsprozess
Die Herstellung erfolgt in Analogie zur Herstellung der geschlossenen Wabenstruktur. Es wird zwischen mindestens zwei ebenen Blechen das zuvor im Rahmen des Ausführungsbeispiels beschriebene, nicht expandierte Papier eingebracht und mittels Widerstands-Punktschweißen, zumindest an den Rändern stoffschlüssig verbunden. Anschließend erfolgt eine Umformoperation, hier zunächst Biegen, später Walzprofilieren. Die Prozessführung entspricht der in 1 und 2 schematisch dargestellten Prozessführung. Des Weiteren wird auch hier eine globale (optional lokale) Wärmebehandlung bei 150°C bei einer Dauer von 2 Minuten durchgeführt. 7 zeigt hierzu ein mehrlagiges Verbundbauteil in Form eines Winkelblechs (offene Struktur).
3. Erzielbare Effekte
Infolge der globalen Wärmebehandlung expandiert das Papier um ca. 5 bis 7 Millimeter in Richtung des Mehrlagenverbunds (normal zur Papierebene). Die Expansion in Papierebene findet ebenfalls statt und kann hier anhand der Ablösung des Papiers von dem Blechhalbzeug identifiziert werden. Der mit der Expansion erzielbare Steifigkeitszuwachs ist auch hier der angestrebte Effekt, ist bauteil- bzw. geometrieabhängig und kann gezielt durch die Fügestellenposition gesteuert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 5269-2 [0047]

Claims

Mehrlagiges flächiges Verbundbauteilhalbzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens abschnittsweise eine zwischen zwei Decklagen eingeschlossene expandierbare Kernlage aufweist.
Mehrlagiges flächiges Verbundbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens abschnittsweise eine zwischen zwei Decklagen eingeschlossene expandierte Kernlage aufweist.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Decklagen zumindest abschnittsweise miteinander verbunden sind.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine Biegung aufweist.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernlage aus einem Papier besteht, das Mikrokörper aufweist.
Halbzeug oder Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Mikrokörper in der Kernlage zwischen 5 und 90 Gew.-%, bevorzugt zwischen 20 und 80 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 50 und 80 Gew.-% beträgt.
Halbzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mikrokörpern um vorzugsweise thermisch expandierbare Mikrokörper und vorzugsweise Mikrosphären handelt.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier als Füllstoff wenigstens ein PCM-Material aufweist, vorzugsweise ein Paraffin oder ein Salzhydrat.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier ein oder mehrere Additive aus der Gruppe ungeladener Latex, geladener Latex, ungeladene Stärke, geladene Stärke, ungeladener Guar und geladener Guar aufweist.
Halbzeug oder Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine und vorzugsweise beide der Decklagen aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Aktivierung eines Verbungbauteilhalbzeugs nach Anspruch 1 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierung ein zumindest abschnittsweises Verbinden beider Decklagen des Halbzeugs vorausgeht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierung ein Biegen des Halbzeugs vorausgeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kernlage und/oder die Decklagen des Halbzeugs und des Bauteils gemäß dem kennzeichnenden Teil von einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10 ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung nur abschnittsweise erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Aktivierung um eine thermische Aktivierung handelt, insbesondere um eine Aktivierung mittels Dampf, Mikrowellen, Laser oder Infrarot, die vorzugsweise bei Temperaturen von zwischen 90°C und 250°C, weiter vorzugsweise von zwischen 120°C und 230°C und weiter vorzugsweise von zwischen 140°C und 210°C erfolgt.