DE102014108112A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und Verbundbauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen plattenförmigen Verbundbauteils und ein Verbundbauteil, das nach diesem Verfahren hergestellt ist, wobei die jeweils folien-/blech-artigen Schicht-Materialien (1; 3; 6; 9; 10; 12; 14) in einem kontinuierlich ablaufenden Prozess unter Zuführung von Wärme und Druck in einer Doppelbandpresse verbunden werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen plattenförmigen Verbundbauteils und ein Verbundbauteil mit mindestens einer metallischen Schicht und einer mit der mindestens einen metallischen Schicht verbindbaren faserverstärkten Schicht aus einem Kunststoff.
  • Derartige Verbundbauteile, aufgebaut und zerstörungsfrei nicht bzw. nicht ohne Weiteres trennbar aus unterschiedlichen Materialschichten kommen als Leichtbau-Bauteile in unterschiedlichen Anwendungsbereichen, z. B. in der Luft- und Raumfahrt und vermehrt auch im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeugbau zum Einsatz. Wenn es darum geht, solche Bauteile für hohe und höchste mechanische Anforderungen auszugestalten, werden häufig Materialschichten aus faserverstärkten Kunststoffen verwendet. Allein wegen der Verwendung solcher hochpreisigen Materialien, aber insbesondere auch wegen der aufwendigen Fertigungstechnik, ist der Einsatz im Kraftfahrzeugbau noch nicht im Großserienmaßstab umgesetzt.
  • Aus der WO 2012/126923 A1 ist ein solcher Verbundwerkstoff bzw. ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug bekannt, das aus flächigen, übereinander liegenden Schichten eines Metalls und eines faserverstärkten Kunststoffs besteht. Daraus sollen Strukturbauteile wie Teile des Unterbodens, Bodenbleche, Bodengruppen, Batteriegehäuse, Tankbehälter u. ä. gebildet werden.
  • In der EP 2 570 258 A1 ist ein Faser-Metall-Laminat gezeigt und beschrieben, bei dem zwischen zwei metallischen Schichten eine faserverstärkte Kunststoffschicht angeordnet ist, wobei zwischen den metallischen Schichten und der Kunststoffschicht eine weitere Grenzflächenschicht aus mehrfasrigen Polymerblends oder silanmodifizierten Thermoplast/Polymerblends angeordnet ist, die Riss- und Korrosionseigenschaften des Verbundwerkstoffs verbessern sollen.
  • Aus der DE 10 2009 006 130 A1 ist ein Verbundbauteil aus mindestens drei unterschiedlichen Materialschichten und ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundbauteils bekannt, das ebenfalls aus einer metallischen Schicht und aus einer Schicht aus faserverstärktem Kunststoff besteht, die mittels einer Haftvermittlerschicht aus Elastomer verbunden sind. Um hohen Qualitätsansprüchen hinsichtlich der Oberfläche eines solchen Verbundbauteils im Kraftfahrzeugbau gerecht zu werden, wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Deckschicht aus kohlenstofffaser- oder kohlenstoffmischfaser-verstärktem Kunststoff in besonderer Anordnung vorzusehen.
  • Die Herstellung solcher Verbundbauteile erfolgt üblicherweise mit Hilfe von Pressen, denen sequentiell die einzelnen Lagen des Verbunds zugeführt werden. Unter Druck und Temperatureinfluss werden einerseits die Fasern in die schmelzende Kunststofffolie eingebettet und andererseits der so gebildete Faser-Kunststoff-Verbund mit z. B. der metallischen Platte unter Verwendung ggf. eines Haftvermittlers verklebt. Beim anschließenden Auskühlen wird der Verbund bleibend stabilisiert.
  • Unter der Bezeichnung “Glare“ ist im Flugzeugbau ein Faser-Metall-Laminat bekannt, das sich durch hohe Durchschlags- und Betriebsfestigkeit auszeichnet. Ferner kennt man sog. “Organo“-Bleche, die aus mehreren Lagen Fasergewebe und thermoplastischen Kunststofffolien bestehen. Diese werden ebenfalls in beheizten Doppelbandpressen hergestellt, wobei die einzelnen Lagen im Wechsel zugeführt werden. Unter Druck- und Temperatureinfluss schmilzt die Kunststofffolie auf und imprägniert die Fasern. Bei der anschließenden Abkühlung erstarrt der Kunststoff und bildet somit ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundbauteile anzubieten, dass eine wesentlich größere Anwendungsbreite von Materialien für den Verbund bei gleichzeitig kostengünstigerer und einfacherer Herstellungsweise zulässt.
  • Nach der Erfindung ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils folien-/blech-artigen Schicht-Materialien nicht sequentiell, sondern kontinuierlich unter Zuführung von Wärme und Druck zum Verbundbauteil verbunden werden. Besonders zweckmäßig lässt sich ein solches Verfahren auf einer Doppelbandpresse ausführen, die z. B. mit einer Vorheizzone, einer Kontaktheizzone und einer sich daran anschließenden Kontaktkühlzone ausgestattet sein kann, wobei der zur Bildung des Verbundes ausgeübte Druck insbesondere im Bereich der Kontaktheizzone und/oder direkt daran anschließend auf den Verbund ausgeübt wird. Die folien-/blech-artigen Schicht-Materialien werden dieser Doppelbandpresse kontinuierlich – z. B. abgewickelt von Folien-Wickeln – zugeführt.
  • Die metallische Schicht eines solchen Verbundbauteils besteht zweckmäßiger Weise entweder aus Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan oder einer Legierung auf der Basis von Stahl, Aluminium, Magnesium oder Titan. Diese metallische Schicht kann auf ihrer Verbundseite mit einer Haftvermittlerschicht vorbeschichtet der Doppelbandpresse zugeführt werden; es erscheint aber zur besonderen wirtschaftlichen Ausübung dieses Verfahrens zweckmäßig, die Haftvermittlerschicht bei der Zuführung der Metallschicht ebenfalls in Folienform zuzuführen oder auf die Metallschicht aufzusprühen.
  • Die Haftvermittlerschicht kann in bekannter Weise ein Elastomer, vorzugsweise auf der Basis von Kautschuk, Silikonkautschuk oder Gummi oder ein ähnliches Klebematerial sein. Ebenfalls denkbar ist die Verwendung eines duroplastischen Kunststoffes als Haftvermittlerschicht, die vorzugsweise auf der Basis eines Epoxidharzes oder von Polyurethan aufgebaut ist. Weiter kann die Haftvermittlerschicht ein thermoplastischer Kunststoff, vorzugsweise auf der Basis von Polyamid sein.
  • Vorzugsweise besteht die faserverstärkte Kunststoffschicht aus einer der Doppelbandpresse zuführbaren Faserschicht, die vor oder während der Zuführung oder in der Presse mittels flüssigen Kunststoffs oder flüssigen Kunststoff-Vorprodukten benetzt und imprägniert wird.
  • Zweckmäßigerweise ist die faserverstärkte Kunststoffschicht aus einer der Doppelbandpresse zuführbaren Kunststofffolie aufgebaut, die im Zuführungsbereich der Doppelbandpresse mit einer Faserschicht in Kontaktanlage gebracht wird. Die Faserschicht kann dabei eine Gewebe-, Gelege-, Gewirk- oder Gestrick-Schicht aus Fasern auf der Basis Kohlenstoff, Aramid, Glasfasern, Zellulose oder von Naturfasern gebildet sein.
  • Die Kunststofffolie besteht vorzugsweise aus einem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyamid, Polyphthalamid, Polybutylenterephthalat, Polyprophylen oder Polyethylen oder aus Mischungen davon.
  • Ein besonders zweckmäßiges Verbundbauteil, hergestellt im Verfahren nach der Erfindung, wird darin gesehen, dass das Verbundbauteil aus mehreren metallischen und mehreren faserverstärkten Kunststoffschichten plattenförmig zusammengefügt ist.
  • Ein besonders zweckmäßiger Verbund mit hohem Leichtbaupotential, hoher Schlagzähigkeit und sehr hohem Durchschlagswiderstand ergibt sich bei einem Aufbau aus mindestens einer Aluminium-/Aluminiumlegierungs-Schicht und mindestens einer Schicht aus Polyamid mit eingelagerter Faserverstärkung aus Endlos-Aramid-Fasern. Eine daraus gebildete Platte und/oder ein daraus aufgebautes Gehäuse kann zur Aufnahme z. B. der Batterie-Systeme bei Fahrzeugen mit Elektro- und/oder Hybrid-Antrieben angewendet werden.
  • Die Batterie-Systeme bei Elektro- bzw. Hybrid-Fahrzeugen sollten für den Fall eines Crashs in einem Bereich des Fahrzeuges gut geschützt angeordnet und wegen ihres Gewichts (Schwerpunkt) möglichst tief angeordnet werden. Deshalb werden sie üblicherweise vor der Hinterachse und im Bereich des Unterbodens eines Fahrzeugs vorgesehen. Zum Schutz im Crash-Fall bzw. beim Aufsetzen des Fahrzeuges, z. B. beim Überfahren von Bordsteinen werden Metall- oder Verbundmaterial-Platten bzw. -Gehäuse angeordnet. Nachteilig können dabei einerseits das Gewicht bzw. andererseits die Herstellungskosten sein. Mit einer Platte zur Abdeckung der Batterie-Systeme bzw. einem Gehäuse zur Aufnahme der Batterie-Systeme hergestellt mit dem Verfahren nach der Erfindung, wird eine in hohem Maße sichere und relativ kostengünstige Lösung bei gleichzeitig geringen Gewichten und vereinfachter Herstellung angeboten.
  • Anhand einer schematischen Darstellung in der Zeichnung wird nachstehend das Verfahren nach der Erfindung erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt eine Doppelbandpresse mit auf jeweils zwei im Abstand angeordneten Rollen A1, A2 bzw. B1 und B2 gelagerten, geschlossenen Bändern C1 bzw. C2. Die Rollen A1, A2 bzw. das Band C1 und die Rollen B1, B2 und das Band C2 sind z. B. in einem verstellbaren Abstand zueinander angeordnet.
  • Dem Rollenpaar A1 und B1 werden die verschiedenen Schichten eines Verbundbauteils zugeführt, wobei die Rollen A1 und B1 die Schichten des Verbundes unter Druck zwischen den Bändern C1 und C2 fixieren. Im Ausführungsbeispiel ist gezeigt, dass eine metallische Schicht 1, die folien-/blech-artig von einem Wickel 2 oder Coil abgezogen werden kann, zusammen mit einer Schicht 3 aus einem thermoplastischen Material, das folienartig von einem Wickel 4 abgewickelt wird, dem Rollenpaar A1, B1 zugeführt wird. Von einem Wickel 5 wird eine weitere Schicht 6 aus z. B. einem Fasergewebe ebenfalls dem Rollenpaar A1, B1 zugeführt. Die Wickel 7 und 8 sind wiederum mit Thermoplast-Folie bestückt. Der dazwischen angeordnete Wickel 11 enthält eine weitere folienartige Schicht 12 mit Fasergewebe. Auf dem Wickel 13 ist wiederum eine metallische Schicht 14 folien-/blech-artig zum Abwickeln bereitgestellt.
  • Die einzelnen Schichten 1, 3, 6, 9, 10, 12 und 14 werden wie bereits vorstehend beschrieben dem Rollenpaar A1, B1 parallel zugeführt und durch diese zwischen den Bändern C1, C2 zum Transport durch die Doppelbandpresse fixiert (Transport-richtung siehe Pfeil in Zeichnung rechts). In der Doppelbandpresse kann der Schichten-Verbund zunächst durch eine Vorheizzone, daran anschließend durch die eigentliche Kontaktaufheizzone, in der sowohl die Imprägnierung der Faserschichten durch die geschmolzenen Thermoplast-Schichten als auch die Verbindung der metallischen Schicht ggf. mittels der Haftvermittlerschicht mit den übrigen Schichten erfolgt. Dieser Prozess erfolgt unter entsprechendem Druck, ausgeübt über die Rollen-Paare A1, A2 bzw. B1, B2 und die Endlosbänder C1 bzw. C2. Im Anschluss an den Kontaktaufheizprozess und den Pressvorgang kann der Schichtenverbund ggf. einer Kühlzone zur Abkühlung des Verbundes auf die aus der Doppelbandpresse gewünschte Austrittstemperatur heruntergekühlt werden.
  • Aus diesem Endlosverbund können dann dem Einsatzzweck entsprechend Platten o. ä. zugeschnitten werden.
  • Für den kontinuierlichen Ablauf des Verfahrens sind Folien bzw. Bleche (Metalle) je nach den Anforderungen an das Endprodukt bis zu einer Materialdicke verwendbar, die ein problemloses Abwickeln von einem entsprechenden Wickel zulassen. Denkbar ist aber auch, dass keine Abwicklung erfolgt, sondern die einzelnen Schichten aus der Doppelbandpresse als Flachmaterial bis zu einer gewissen handelbaren Länge erfolgt.
  • 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 2012/126923 A1 [0003]
    • EP 2570258 A1 [0004]
    • DE 102009006130 A1 [0005]

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen plattenförmigen Verbundbauteils mit mindestens einer metallischen Schicht (1; 14) und einer mit der mindestens einen metallischen Schicht verbindbaren faserverstärkten Schicht aus einem Kunststoff (3; 6; 9; 10; 12), dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils folienartigen Schicht-Materialien (1; 3; 6; 9; 10; 12; 14) kontinuierlich unter Zuführung von Wärme und Druck zum Verbundbauteil verbunden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Doppelbandpresse angewendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Schicht-Materialien (1; 3; 6; 9; 10; 12; 14) nach deren kontinuierlich parallelen Zuführung zur Doppelbandpresse der zu bildende Verbund in einer Vorheizzone der Doppelbandpresse vorgeheizt und daran anschließend an einer Kontaktheizzone auf eine kontaktbildende Temperatur aufgeheizt wird, wobei eine Fixierung mittels Druck erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (1; 14) Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan oder eine Legierung auf der Basis von Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (1; 14) auf ihrer Verbundseite mit einer Haftvermittlerschicht vorbeschichtet der Doppelbandpresse zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht auf ihrer Verbundseite bei der Zuführung zur Doppelbandpresse vor oder gleichzeitig mit dem Zusammenfügen mit den weiteren Schichten mit einer Haftvermittlerschicht versehen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht in Folienform zugeführt oder aufgesprüht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht ein Elastomer, vorzugsweise auf der Basis von Kautschuk, Silikonkautschuk oder Gummi ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht ein duroplastischer Kunststoff, vorzugsweise auf der Basis eines Epoxidharzes oder von Polyurethan aufgebaute Schicht ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht ein thermoplastischer Kunststoff, vorzugsweise auf der Basis von Polyamid ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffschicht aus einer der Doppelbandpresse zuführbaren Faserschicht besteht, die vor oder während der Zuführung oder in der Presse mittels flüssigen Kunststoffs oder flüssigen Kunststoff-Vorprodukten benetzt und imprägniert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffschicht aus einer der Doppelbandpresse zuführbaren Thermoplast-Kunststoff-Folie (3; 9; 10) besteht, die im Zuführungsbereich der Doppelbandpresse mit einer Faserschicht (6; 12) in Kontaktanlage gebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (6; 12) als Gewebe-, Gelege-, Gewirk- oder Gestrick-Schicht aus Fasern auf der Basis Kohlenstoff, Aramid, Glasfaser, Zellulose- oder von Naturfasern gebildet ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Folien-Schicht aus Polyamid, Polyphthalamid, Polybutylenterephthalat, Polyprophylen oder Polyethylen oder aus Mischungen daraus besteht.
  15. Verbundbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus mehreren metallischen und faserverstärkten Kunststoff-Schichten plattenförmig zusammengefügt ist.
  16. Verbundbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus mindestens einer Aluminium- oder Aluminium-Legierungs-Schicht und mindestens einer Schicht aus Polyamid mit imprägnierter Faserverstärkung aus Endlos-Aramid-Fasern besteht.
  17. Verbundbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass daraus gebildete Formteile, Platten und/oder Gehäuse zur Aufnahme oder zum Schutz von Batterie-Systemen bei Fahrzeugen mit Elektro- und/oder Hybrid-Antrieb anwendbar sind.
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