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Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Ein solches Verbundbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils sind beispielsweise bereits aus der
DE 10 2006 058 257 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Verbundbauteil weist eine Kernschicht auf, welche aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum gebildet ist. Mit anderen Worten ist die Kernschicht als Schaumelement ausgebildet, welches aus einem Kunststoff in Form eines Thermoplasten hergestellt ist. Das Verbundbauteil weist ferner wenigstens eine Deckschicht auf, welche mit der Kernschicht verbunden ist. Dies bedeutet, dass die Deckschicht auf der Kernschicht angeordnet ist, wobei sich die Deckschicht und die Kernschicht zumindest teilweise gegenseitig überlappen. Dabei sind die Kernschicht und die Deckschicht miteinander verpresst.
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Im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Verbundbauteils werden die Kernschicht und die Deckschicht in ein Presswerkzeug eingebracht und mittels des Presswerkzeugs miteinander verpresst, wobei die Deckschicht und die Kernschicht einen Schichtenverbund des Verbundbauteils bilden.
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Dabei ist es möglich das Verbundbauteil als Sandwich-Verbundbauteil auszubilden, wobei auf einer der Deckschicht abgewandten Seite der Kernschicht wenigstens eine weitere Deckschicht angeordnet und mit der Kernschicht verbunden sein kann. Es hat sich gezeigt, dass Verbundbauteile sehr unterschiedliche Belastungen an unterschiedlichen Bereichen ertragen müssen. Bei Verbundbauteilen mit Kernschichten und Deckschichten besteht das Problem, dass diese Verbundbauteile üblicherweise aus zumindest im Wesentlichen flächigen Ausgangsmaterialien hergestellt werden, so dass an jedem Querschnitt des Verbundbauteils, das heißt an jedem Bauteilquerschnitt dieselbe Menge Material und somit dieselbe Dicke vorliegt. Daher ist die Optimierung eines solchen Verbundbauteils für die unterschiedlichen Belastungen sehr schwierig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verbundbauteil sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen sich eine belastungsgerechte Gestaltung des Verbundbauteils realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine belastungsgerechte Gestaltung des Verbundbauteils realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verbundbauteil in wenigstens einem ersten Teilbereich starker als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich verpresst ist. Durch dieses gegenüber dem zweiten Teilbereich stärkere Verpressen im ersten Teilbereich weist das Verbundbauteil, insbesondere die Kernschicht, im ersten Teilbereich eine geringere Dicke beziehungsweise Wanddicke als im zweiten Teilbereich auf. Ferner wird durch das lokal begrenzte, stärkere Verpressen im Rahmen der Herstellung des Verbundbauteils die Dichte der als Schaumkern ausgebildeten Kernschicht lokal erhöht, woraus gegenüber dem weniger stark verpressten zweiten Teilbereich eine Erhöhung der mechanischen Druckeigenschaften der Kernschicht, das heißt des thermoplastischen Kunststoffschaums resultiert. Da das Verbundbauteil jedoch nur lokal starker verpresst ist, bleibt der Materialcharakter des Verbundbauteils über das gesamte Verbundbauteil hinweg betrachtet erhalten.
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Durch das lokal stärkere Verpressen des Verbundbauteils kann dieses ohne zusätzlichen Material-, Kosten- oder Zeitaufwand hergestellt und dabei belastungsgerecht ausgebildet werden, da die Druckfestigkeit und die Drucksteifigkeit lokal erhöht werden können. Mit anderen Worten ist es möglich, den ersten Teilbereich beziehungsweise jeweilige Teilbereiche, in denen das Verbundbauteil starker verpresst ist als in anderen Teilbereichen, zu ertüchtigen und dabei an lokal auftretende, hohe Belastungen anzupassen. Somit ist es möglich, ein Eindrücken des beispielsweise einen Sandwichverbund darstellenden Verbundbauteils durch Außeneinflüsse zu vermeiden.
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Auch ein Eindrücken von Anbindungselementen, über welche das Verbundbauteil beispielsweise mit wenigstens einem weiteren Bauteil des Fahrzeugs verbindbar ist, kann verhindert werden. Ferner ist es möglich, eine besonders hohe Oberflächengüte des Verbundbauteils zu schaffen, insbesondere im Bereich von kleinen Radien. Darüber hinaus sind Kanten des Verbundbauteils darstellbar.
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Um besonders vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften, zu realisieren und somit das Verbundbauteil besonders belastungsgerecht auszubilden, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Deckschicht aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Kunststoff der Deckschicht ein Thermoplast ist. Der Thermoplast der Deckschicht ist eine Matrix beziehungsweise Kunststoffmatrix und insbesondere thermoplastische Kunststoffmatrix, in welche Verstärkungsfasern zumindest teilweise eingebettet sind. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich bevorzugt um Glasfasern und/oder Naturfasern und/oder Karbonfasern beziehungsweise Kohlenstofffasern, um dadurch beispielsweise eine besonders vorteilhafte Steifigkeit der Deckschicht und somit des Verbundbauteils insgesamt zu schaffen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Thermoplast der Deckschicht Polypropylen (PP) ist. Die Deckschicht ist beispielsweise ein Vließ beziehungsweise aus einem Vließstoff gebildet und kann insbesondere aus einem Hybrid-Vließstoff gebildet sein. Ferner ist es denkbar, dass die Deckschicht aus einem Organoblech oder einem Hybridgewebe gebildet ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner gezeigt, wenn der thermoplastische Kunststoffschaum der Kernschicht aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet ist. Mit anderen Worten ist die Kernschicht vorzugsweise ein PET-Schaumkern, dessen Dichte und somit mechanische Druckeigenschaften durch lokal stärkeres Verpressen besonders vorteilhaft erhöht werden können.
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Die Anbindung der Deckschicht an die Kernschicht kann durch wenigstens eine zwischen der Kernschicht und der Deckschicht angeordnete Schmelzschicht erfolgen oder aber durch einen reaktiven Klebstoff, durch welchen eine von der Deckschicht und Kernschicht unterschiedliche, zusätzlich dazu vorgesehene Schicht gebildet ist.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbundbauteil im ersten Teilbereich einem Trennverfahren, insbesondere Stanzen oder Pinchen, unterzogen ist. Beispielsweise ist das Verbundbauteil im gegenüber dem zweiten Teilbereich starker verpressten ersten Teilbereich beschnitten. Durch das lokal stärkere Verpressen kann beispielsweise ein geschlossener Sandwichverbund im Bereich einer durch das Trennverfahren hergestellten Schnittkante realisiert werden, wodurch die Resistenz gegen Umwelteinflüsse erheblich verbessert werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine besonders hohe Schnittgüte zu realisieren und Fügebereiche, wie beispielsweise von Clipsen, zu verstärken.
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Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in dem ersten Teilbereich zumindest ein Verbindungselement angeordnet ist. Mittels des Verbindungselements kann das Verbundbauteil mit wenigstens einem weiteren Bauteil des Fahrzeugs verbunden werden. Bei dem Verbindungselement handelt es sich beispielsweise um einen Clips, das heißt ein Rastelement. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Bereich von Verbindungselementen hohe Belastungen auftreten können, da beispielsweise im Bereich von Verbindungselementen hohe Belastungen in das Verbundbauteil eingeleitet werden können. Da nun das Verbindungselement im lokal starker verpressten ersten Teilbereich angeordnet ist, kann das Verbundbauteil derartige Belastungen schadfrei ertragen. Somit ist es möglich, Fügebereiche des Verbundbauteils, über welche das Verbundbauteil mit anderen Bauteilen des Fahrzeugs verbunden wird, gezielt, das heißt lokal zu verstärken.
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Ferner ist es möglich, etwaig auszubildende Radien des Verbundbauteils durch die erhöhte Verpressung prägnanter auszugestalten, so dass beispielsweise die Gefahr von Beschädigungen des Verbundbauteils im Bereich der Radien besonders gering gehalten werden kann.
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Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders belastungsgerechte Gestaltung des Verbundbauteils realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verbundbauteil in wenigstens einem ersten Teilbereich starker als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich verpresst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundbauteils sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als die Deckschicht eine Deckschicht aus einem faserverstärkten Kunststoff verwendet, wobei zumindest die Kernschicht beim Verpressen eine Temperatur aufweist, welche zumindest nahe zu der Schmelztemperatur des Kunststoffes der Deckschicht entspricht. Hierdurch lassen sich eine besonders vorteilhafte Erhöhung der Dichte und somit der mechanischen Druckfestigkeit und Drucksteifigkeit der Kernschicht realisieren.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Temperatur der Kernschicht, im Falle von PET, beim Verpressen in einem Bereich von 160°C bis 250°C liegt.
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Das Verbundbauteil ist beispielsweise als Pressbauteil, insbesondere Sandwich-Pressbauteil, ausgebildet, welches mittels des Presswerkzeugs gepresst und dabei beispielsweise umgeformt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundbauteilen, die eine gleichförmige beziehungsweise gleichmäßige Dicke aufweisen, weist das erfindungsgemäße Verbundbauteil durch die lokal stärkere Verpressung im ersten Teilbereich eine geringere Dicke als im zweiten Teilbereich auf, wodurch das Verbundbauteil belastungsgerecht hergestellt werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, die Deckschicht und die Kernschicht, welche einen Schichtenverbund bilden, während der Umformung lokal starker zu verpressen als in anderen angrenzenden Teilbereichen. Hierdurch erhält das Pressbauteil aufgrund der lokal erhöhten Dichte der Kernschicht dort eine gesteigerte Druckfestigkeit, so dass höhere mechanische Kräfte aufgenommen werden können. Bei dem Pressbauteil wird somit bei gleichem Materialeinsatz eine Maßschneiderung hinsichtlich eines bekannten Belastungsprofils erzielt.
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Im Vergleich dazu müssen herkömmliche Verbundbauteile, insbesondere Pressbauteile, in der Schichtdicke größer dimensioniert werden, wodurch ihr Gewicht- und Platzbedarf zunehmen. Diese unerwünschten Zunahmen können beim erfindungsgemäßen Verbundbauteil beziehungsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden, wobei sich das Flächenträgheitsmoment des Schichtenverbundes nicht oder nur unwesentlich ändert, so dass die Bauteileigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit und Biegesteifigkeit zumindest nahezu unverändert bleiben. Die beschriebene bedarfsgerechte Abstimmung des Verbundbauteils kann dabei ohne zusätzliche Arbeitsschritte in unterschiedlichen Arbeitsstationen erfolgen, so dass Material-, Kosten- und Zeitaufwand eingespart werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Verpressung des erwärmten Schichtenverbundes bei einer Verarbeitungstemperatur, die über der Schmelztemperatur der zumindest einen Deckschicht und unter der Schmelztemperatur der Kernschicht liegt. Die Kernschicht kann somit die Temperatur der Deckschicht aufweisen ohne selbst geschmolzen zu sein. Dadurch kann die Kernschicht, das heißt der thermoplastische Kunststoffschaum verdrückt beziehungsweise zusammengedrückt werden, ohne dass Zellwände des Kunststoffschaums aufschmelzen oder zerbrechen.
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Die lokal unterschiedlichen Verpressungen in den Teilbereichen können durch eine Formänderung beziehungsweise durch eine entsprechende Form des Presswerkzeugs, insbesondere zumindest einer Werkzeughälfte des Presswerkzeugs, erfolgen, wobei beispielsweise eine Konvexität vorgesehen ist, welche beim Verpressen früher mit dem Schichtenverbund in Kontakt tritt als die restliche Werkzeugkontur beziehungsweise das übrige Presswerkzeug. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass in das Presswerkzeug wenigstens ein oder mehrere verfahrbare Stempel integriert sind, die vorlaufend in den Schichtenverbund eindringen und so für das lokal stärkere Verpressen sorgen.
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Vorzugsweise findet die lokal stärkere Verpressung auf einer einer späteren Sichtseite des Verbundbauteils abgewandten Seite, insbesondere Rückseite, des Schichtenverbundes beziehungsweise des Verbundbauteils statt, so dass die ästhetische Anmutung des Verbundbauteils keine Einbußen erhält.
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Vorzugsweise wird der Schichtenverbund als Halbzeug in das Presswerkzeug eingebracht. Dabei weist das Halbzeug vor dem Verpressen beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen flächige Erstreckung auf und ist somit als Flächenelement ausgebildet. Vorzugsweise wird das Halbzeug vor der Einbringung in das Presswerkzeug erwärmt. Beispielsweise erfahren die Deckschicht und die Kernschicht, welche aneinander angeordnet sind, eine erste Erwärmung bei der Herstellung des Halbzeugs. Dabei ist beispielsweise zwischen der Deckschicht und der Kernschicht eine Bindeschicht vorgesehen, über welche die Deckschicht mit der Kernschicht verbunden ist beziehungsweise wird. Die Bindeschicht kann dabei die zuvor genannte Schmelzschicht oder der Klebstoff, insbesondere reaktive Klebstoff, sein.
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Durch die erste Erwärmung schmelzen die Bindeschicht und/oder die Deckschicht auf, so dass die Deckschicht mit der Kernschicht eine enge Verbindung eingeht. Hierbei ist der Verbindungstyp der Kernschicht mit der Bindeschicht mikroskopisch formschlüssig, da beispielsweise die flüssige Bindeschicht, beispielsweise ein flüssiger Thermoplast der Bindeschicht, in offene Poren des Kunststoffschaums eindringt und sich dort nach Konsolidierung verankernd festsetzt. Die Verbindung zwischen Bindeschicht und Deckschicht ist beispielsweise stoffschlüssig durch Vermischung jeweiliger Kunststoffanteile, insbesondere Thermoplastanteile, beziehungsweise auch formschlüssig, wobei Anteile der Bindeschicht in die Faserstruktur der Deckschicht eindringen. Die Bindeschicht wird auch als Schmelzschicht bezeichnet, da sie durch das genannte erste Erwärmen beispielsweise verflüssigt beziehungsweise geschmolzen wird. Die Bindeschicht kann dabei durch den Kunststoff, insbesondere Thermoplasten, der Deckschicht gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Bindeschicht durch den Kunststoff der Kernschicht gebildet. Ferner ist es möglich, dass die Bindeschicht durch einen Klebstoff, insbesondere reaktiven Klebstoff, gebildet wird, welcher von der Deckschicht und der Kernschicht unterschiedlich und zusätzlich dazu vorgesehen ist. Durch das erste Erwärmen wird der Klebstoff beispielsweise aktiviert, sodass die Deckschicht mit der Kernschicht mittels des Klebstoffes fest verklebt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1a, b jeweils eine schematische und geschnittene Seitenansicht auf ein Verbundbauteil mit einer Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum und wenigstens einer mit der Kernschicht verbundenen Deckschicht, welche miteinander verpresst werden, wobei das Verbundbauteil in wenigstens einem ersten Teilbereich starker als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich eingrenzenden zweiten Teilbereich verpresst wird;
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2 eine weitere schematische und geschnittene Seitenansicht auf das Verbundbauteil, welches im ersten Teilbereich einem Trennverfahren unterzogen wird;
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3a, b, c jeweils eine schematische und geschnittene Seitenansicht auf das Verbundbauteil gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische und geschnittene Seitenansicht auf das Verbundbauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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5 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eines Innenraums eines Fahrzeugs mit Bereichen, in denen das Verbundbauteil zum Einsatz kommen kann.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1a, b zeigen jeweils in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht ein Verbundbauteil in Form eines Sandwich-Verbundbauteils, welches aus einem in 1a, b mit 10 bezeichneten Schichtenverbund hergestellt wird. Der Schichtenverbund 10 und somit das Verbundbauteil umfassen eine Kernschicht 12 aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum. Vorzugsweise ist die Kernschicht 12 aus Polyethylenterephthalat (PET) und somit als PET-Schaumkern ausgebildet. Der Schichtenverbund 10 umfasst ferner jeweilige Deckschichten 14 und 16, zwischen welchen die Kernschicht 12 angeordnet ist. Die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, wobei der Kunststoff ein Thermoplast und vorzugsweise Polypropylen (PP) ist. Der Kunststoff der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 ist eine Matrix oder ein Matrixwerkstoff, in welche beziehungsweise welchen Verstärkungsfasern eingebettet sind. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich vorzugsweise um Glasfasern, Naturfasern und/oder Karbonfasern. Die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 kann dabei beispielsweise aus einem Hybrid-Vliesstoff, Organoblech oder Hybridgewebe gebildet sein. PET ist bei Temperaturen über 140°C in einem erweichten Zustand und kann damit plastisch verformt werden. Erst bei Erreichen des Schmelzpunktes über 250°C beginnt das Aufschmelzen. Während PP bereits bei 160°C schmilzt. Diese Materialkombination ist damit besonders vorteilhaft, da zwischen 160°C und 250°C der Thermoplast der Deckschicht geschmolzen ist und der Kern plastisch verformbar ist, ohne, dass die Schaumstruktur zerstört wird.
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Zwischen der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 und der Kernschicht 12 ist wenigstens eine Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 angeordnet, über welche die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 mit der Kernschicht 12 verbunden ist. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 wird auch als Schmelzschicht bezeichnet, da sie beispielsweise beim Herstellen des Verbundbauteils beziehungsweise des Schichtenverbundes 10 verflüssigt beziehungsweise aufgeschmolzen wird. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 ist beispielsweise durch den Kunststoff der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 oder aus einem Klebstoff, insbesondere reaktiven Klebstoff, gebildet, welcher zusätzlich zu dem jeweiligen Kunststoff der Deckschichten 14 und 16 und der Kernschicht 12 vorgesehen ist. Über die jeweilige Bindeschicht 18 erfolgt die Anbindung der Deckschichten 14 und 16 an die Kernschicht 12. Die Funktion der Schmelzschicht bzw. Bindeschicht 18 kann auch in der Deckschicht 14, 16 integriert sein. Durch einen erhöhten thermoplastischen Matrixanteil in der Deckschicht 14, 16 kann ebenfalls eine Verankerung in der Kernschicht 12 erfolgen, indem dieser sich in der rauen Oberfläche der Kernschicht 12 verkrallt und eine dabei formschlüssige Verbindung eingeht.
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Eine Alternative zur Anbindung der Deckschichten 14, 16 an die Kernschicht 12 ist durch das Vernadeln der einzelnen Lagen miteinander möglich. Hierbei werden die Fasern der Deckschichten 14, 16 durch die Kernschicht 12 geführt und mit dieser verbunden.
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Insgesamt ist aus 1a, b erkennbar, dass durch den Schichtenverbund 10 ein Sandwichverbund mit thermoplastischem Schaumkern und faserverstärkten thermoplastischen Deckschichten 14 und 16 gebildet ist. Beispielsweise wird aus dem Schichtenverbund 10 ein Verkleidungsteil, insbesondere Innenverkleidungsteil, eines Fahrzeugs wie beispielsweise eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens hergestellt.
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Aus 1a und b ist erkennbar, dass der Schichtenverbund 10 als Halbzeug in ein Presswerkzeug 22 eingebracht wird. Das Presswerkzeug 22 umfasst zwei Werkzeughälften 24 und 26, welche gegenüberliegend angeordnet und – wie in 1a und b durch Richtungspfeile veranschaulicht ist – aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Befindet sich der Schichtenverbund 10 (Halbzeug) zwischen den Werkzeughälften 24 und 26, so werden diese aufeinander zu bewegt, das heißt geschlossen, wodurch der Schichtenverbund 10 verpresst wird. Das Verbundbauteil ist somit ein Pressbauteil, welches mittels des Presswerkzeugs 22 verpresst und dabei vorzugsweise umgeformt wird.
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Um nun eine besonders belastungsgerechte Gestaltung des Verbundbauteils auf besonders einfache Weise zu realisieren, wird das Verbundbauteil beziehungsweise der Schichtenverbund 10 in wenigstens einem ersten Teilbereich 28 starker als in an den ersten Teilbereich 28 angrenzenden zweiten Teilbereichen 30 verpresst. Hierzu weist die Werkzeughälfte 24 eine Ausbuchtung auf, durch welche eine Konvexität 32 gebildet ist.
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Wenn die Werkzeughälften 24 und 26 geschlossen werden, kommt die Konvexität 32 früher mit dem Schichtenverbund 10 in Kontakt als die restliche Kontur der Werkzeughälfte 24. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die lokal gegenüber den Teilbereichen 30 stärkere Verpressung im Teilbereich 28 durch wenigstens einen Stempel zu realisieren, welcher in die Werkzeughälfte 24 integriert und relativ zur Werkzeughälfte 24 bewegbar, insbesondere translatorisch bewegbar, ist.
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Durch das lokal stärkere Verpressen im Teilbereich 28 erhält der Schichtenverbund 10 – wie aus 1b erkennbar ist – eine geringere Dicke beziehungsweise Wanddicke als in den zweiten Teilbereichen 30. Ferner erhält der Schichtenverbund 10 beziehungsweise das Verbundbauteil insgesamt aufgrund der lokal stärkeren Verpressung eine lokal erhöhte Dichte im ersten Teilbereich 28. Mit anderen Worten weist die Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 28 eine höhere Dichte als in den zweiten Teilbereichen 30 auf, wodurch die Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 28 eine höhere mechanische Druckfestigkeit und Drucksteifigkeit als in den zweiten Teilbereichen 30 aufweist. Dadurch sind die Kernschicht 12 und somit das Verbundbauteil insgesamt lokal, das heißt im ersten Teilbereich 28 ertüchtigt und an hohe Belastungen angepasst, ohne jedoch die globalen Eigenschaften des Verbundbauteils übermäßig zu beeinflussen.
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Vorzugsweise wird der Schichtenverbund 10 in heißem Zustand verpresst. Hierbei wird die Kernschicht 12 auf die Verarbeitungstemperatur der jeweiligen Matrix der Deckschichten 14 und 16 erwärmt, wobei diese Temperatur über der Schmelztemperatur der Deckschicht 14, 16 und unter der Schmelztemperatur der Kernschicht 12 vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 160°C bis einschließlich 250°C liegt. Bei dieser Temperatur lässt sich die Kernschicht 12 aus PET stauchen beziehungsweise verdrücken, ohne dass Zellwände des als Schaumkern fungierenden Kunststoffschaums brechen oder aufschmelzen. Die somit plastisch gestauchte Schaumstruktur kann durch die Materialverdichtung im ersten Teilbereich 28 höhere Kräfte aufnehmen, wodurch die Druckeigenschaften lokal gesteigert werden. Hierdurch kann in dem ersten Teilbereich 28 eine erhöhte Druckfestigkeit des Sandwichverbundes erreicht werden, ohne dass der gesamte Sandwichverbund auf die erhöhten Anforderungen an bestimmten Stellen des Verbundbauteils dimensioniert werden muss. Zudem erhöht sich das Flächenträgheitsmoment des Verbundbauteils nur lokal, wodurch der Materialcharakter des Verbundbauteils über das gesamte Verbundbauteil betrachtet erhalten bleibt. Alternativ ist es auch denkbar, ein großflächiges Verpressen durchzuführen, wie es beispielsweise bei Anwendungen gemäß 5 der Fall sein kann. Bei so einer großflächigen Verpressung verändert sich das Flächenträgheitsmoment des Bauteils.
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Beim Schließen der Werkzeughälften 24 und 26 werden diese soweit aufeinander zu bewegt, dass zwischen den Werkzeughälften 24, 26 ein Spalt entsteht, in welchem der Schichtenverbund 10 angeordnet ist. Durch die sich in Richtung der Werkzeughälfte 26 erstreckende Konvexität 32 ist dieser Spalt im ersten Teilbereich 28 geringer beziehungsweise schmaler als in den zweiten Teilbereichen 30, wodurch der Schichtenverbund 10 und somit das Verbundbauteil insgesamt im ersten Teilbereich 28 starker als in den zweiten Teilbereichen 30 verpresst wird. Mit anderen Worten wird die lokal stärkere Verpressung des Verbundbauteils durch eine lokale Verjüngung des Spalts zwischen den Werkzeughälften 24, 26 realisiert. Nach dem Verpressen und Umformen des Schichtenverbundes 10 wird das Presswerkzeug 22 geöffnet, so dass das Verbundbauteil aus dem Presswerkzeug 22 entformt werden kann.
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Das lokal stärkere Verpressen weist das als Sandwich-Pressbauteil ausgebildete Verbundbauteil im ersten Teilbereich 28 eine Eindrückung auf. Aus 2 ist erkennbar, dass das Verbundbauteil an der Stelle der Eindrückung, das heißt im ersten Teilbereich 28, vorzugsweise einem Trennverfahren, insbesondere Stanzen oder Pinchen, unterzogen wird. Mit anderen Worten wird das Sandwich-Pressbauteil an der Stelle der Eindrückung (erster Teilbereich 28) gestanzt. Bei Verbundbauteilen mit einer hohen Variantenvielfalt oder einer komplexen Geometrie ist es häufig zielführend, derartige Ausstanzungen nach der eigentlichen Bauteilherstellung in einem nachgelagerten Prozess durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, den Schichtenverbund 10 im ersten Teilbereich 28 zu prägen. Das Trennverfahren beziehungsweise Prägeverfahren kann im Presswerkzeug 22 durch entsprechende Konturen, insbesondere Stanzkonturen, oder Stempel erfolgen oder aber auch in einem nachgelagerten Stanzwerkzeug. Das Stanzen kann beim warmen oder auch kalten Pressbauteil durchgeführt werden. Aufgrund der Materialverdichtung der Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 28 wird eine besonders hohe Schnittqualität erreicht, was sich insbesondere in der Darstellung einer präzisen Schnittkante bemerkbar macht.
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Vorzugsweise kann das Pressbauteil auch gepincht werden, wobei die entstehende Pinchkante durch Verdrücken von Bauteilmaterial zustande kommt. Hierbei werden stumpfe Konturen des entsprechenden Werkzeugs bis auf Block aufeinander gefahren. Letztlich werden Verstärkungsfasern aus wenigstens einer der Deckschichten 14 beziehungsweise 16 zerstört, ggf. zumindest teilweise pulverisiert, das restliche Material wird verdrängt und das Verbundbauteil somit getrennt. Gepincht wird vorzugsweise bei erwärmtem Halbzeug beziehungsweise Pressbauteil, da die Deckschichten 14 und 16 dann fähig sind, eingestülpt zu werden, wodurch die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 die jeweilige Trennfläche abdeckt und – bei gleich ausgebildeten Werkzeugkonturen in Ober- und Unterwerkzeug – die beiden gegenüberliegenden Deckschichten 14 und 16 sich miteinander stoff- beziehungsweise formschlüssig verbinden. Die Trennfläche wird dadurch gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Schmutz nachhaltig geschützt.
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Das Pinchen kann zur Bauteiltrennung als auch zum Lochen verwendet werden. 2 zeigt ein Werkzeug 34, welches das genannte, mit 36 bezeichnete Oberwerkzeug als erste Werkzeughälfte und das genannte, mit 38 bezeichnete Unterwerkzeug als zweite Werkzeughälfte umfasst. Mittels des Werkzeugs 34 wird das Trennverfahren, das heißt das Stanzen und/oder Pinchen durchgeführt, in dem die Werkzeughälften des Werkzeugs 34 aufeinander zu bewegt werden. Dabei ist in 2 mit 40 ein Material bezeichnet, welches durch das Trennverfahren vom übrigen Schichtenverbund 10 getrennt wird. Durch ein solches Trennverfahren ist es möglich, das Verbundbauteil zu beschneiden beziehungsweise zuzuschneiden, was vorteilhafterweise an dem starker verpressten Teilbereich 28 erfolgt.
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3a–c zeigen jeweilige Ausführungsformen des Verbundbauteils, wobei in dem jeweiligen ersten Teilbereich 28 ein Verbindungselement 42 angeordnet und mit dem Verbundbauteil beziehungsweise dem Schichtenverbund 10 verbunden ist. Vorliegend ist das Verbindungselement 42 mit dem Schichtenverbund formschlüssig verbunden und dabei beispielsweise verrastet. Bei dem Verbindungselement 42 handelt es sich beispielsweise um ein Anbindungselement, mittels welchem das Verbundbauteil mit wenigstens einem weiteren Bauteil des Fahrzeugs verbunden werden kann. Insbesondere ist das Verbindungselement 42 als Clips ausgebildet, welcher jeweilige Rastnasen 44 aufweist, die unter formschlüssigem Halten des Verbindungselements 42 am Schichtenverbund 10 jeweilige Wandungsbereiche des Schichtenverbundes 10 hintergreift. Das dargestellte Verbindungselement 42 kann auch, ggf. einstückiges Bestandteil eines größeren Bauteils sein (z. B. Lautsprechergitter).
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Aus 3a–c ist erkennbar, dass der Schichtenverbund 10 durch das lokal verstärkte Verpressen im ersten Teilbereich 28 eine geringere Dicke und somit einen geringeren Querschnitt als in den zweiten Teilbereichen 30 aufweist. Hätte der Schichtenverbund 10 einen konstanten Querschnitt mit offener Schnittfläche, so machte die offene Schnittfläche den Sandwichverbund anfällig für Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Feuchtigkeit und erhöhte die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Deckschichten 14 und 16 von der Kernschicht 12 ablösen. Zudem bestünde die Gefahr, dass sich das Verbindungselement 42 bei Krafteinleitung in das Sandwichmaterial eindrückt, da die Druckfestigkeit relativ gering ist.
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Diese Probleme können nun durch das lokal verstärkte Verpressen vermieden werden. Durch die gesteigerte Druckfestigkeit im ersten Teilbereich 28 wird ein Eindrücken des Anbindungselements (Verbindungselement 42) gehemmt. Gemäß 3a und 3c ist der erste Teilbereich 38, welcher eine verpresste und durch den Trennvorgang gelochte Stelle darstellt, so ausgebildet, dass das dort angeordnete beziehungsweise eingelassene Verbindungselement 42 in einer Eindrückmulde vollumfänglich aufgenommen ist. Mit anderen Worten ist durch das lokal verstärkte Verpressen eine Eindrückmulde geschaffen, in welcher das Verbindungselement 42 aufgenommen ist. Dadurch wird verhindert, dass das Verbindungselement 42 in das stark komprimierte Material eingedrückt werden kann, was zur ungewollten Verschlechterung der Anmutung und gegebenenfalls der Funktionalität des Verbundbauteils und/oder Verbindungselements 42 führen kann. In das lokal starker komprimierte Material an der Eindrückstelle kann das Verbindungselement 42 nämlich nur schwer oder gar nicht eingedrückt werden.
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Auch gemäß 3b ist das Verbindungselement 42 in dem ersten Teilbereich 28 angeordnet, wobei die Schnittfläche des Verbundbauteils sehr gut gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. 3c zeigt eine Kombination der in 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen. Der erste Teilbereich 28, in welchem das Verbindungselement 42 angeordnet ist, ist etwas stärker verpresst und jeweilige Randbereiche an den Schnittflächen sind stark verpresst. Hierdurch ist die Schnittfläche des Verbundbauteils sehr gut gegen Umwelteinflüsse geschützt und ein Eindrücken des Verbindungselements 42 kann verhindert werden.
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Anhand von 4 ist eine Radiengestaltung dargestellt, welche durch das lokal stärkere Verpressen des Schichtenverbundes 10 realisiert werden kann. Aus 4 ist erkennbar, dass der Schichtenverbund 10 beziehungsweise das Verbundbauteil in dem ersten Teilbereich 28 gekrümmt ausgebildet ist und dabei einen Radius aufweist, wobei die genannte Eindrückung auf der konkaven Seite angeordnet ist. Eine solche lokale Verjüngung des Spalts zwischen den Werkzeughälften 24 und 26 im Radienbereich ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Oberflächengüte. Dies ist darin begründet, dass im Radienbereich das Material lokal auf Zug beansprucht wird. Die hierdurch indizierte Dehnung führt zu einer Ausdünnung des Materials, was wiederum zu Unregelmäßigkeiten der Materialdicke führt, was sich durch mangelnde Schärfe im Kantenbereich bemerkbar macht. Zudem findet durch die Spannung in der Deckschicht eine schlechte Ausformung von z. B. engen Radien statt. Dies kann nun verhindert werden, da durch das lokal verstärkte Pressen des Sandwichverbundes im Bereich des Radius sichergestellt wird, dass sich die gewünschte Geometrie auf der Sichtseite scharf abbildet. Zur Abbildung eines konstanten Radius auf der Sichtseite ist es empfehlenswert, den Bauteildickensprung an der Nicht-Sichtseite einzuleiten. Es versteht sich, dass 1a bis 4 lediglich zur Erklärung des Verbundbauteils und der Herstellung des Verbundbauteils dienen. Es sind weitere Geometrien zur Realisierung besonders vorteilhafter Materialeigenschaften realisierbar.
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Der in 4 gezeigten Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Bauteilgeometrien, die Radien aufweisen, dort das Material lokal auf Zug beansprucht wird, was Unregelmäßigkeiten der Materialdicke aufgrund einer Materialausdünnung zur Folge hat. Diesem Problem kann entgegengewirkt werden, indem im Radienbereich im Presswerkzeug 22 eine Konvexität ausgebildet ist, die das lokal verstärkte Pressen im ersten Teilbereich 28 und somit im Bereich des Radius verursacht. Hierdurch wird einerseits die Oberfläche auf der Sichtseite verbessert, insbesondere, wenn die Eindrückung auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Andererseits wird der Radius besonders genau abgebildet. Des Weiteren sind auch besonders kleine Radien darstellbar, was zur Erreichung eines scharfen Fugenbildes vorteilhaft ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Innenraums eines Personenkraftwagens, wobei das anhand von 1a bis 4 geschilderte Verbundbauteil beispielsweise in in 5 mit B und C bezeichneten Bereichen zum Einsatz kommen kann beziehungsweise in den Bereichen B und C starker verpresst ist als in sich daran anschließenden Bereichen. Dabei ist in 5 eine Türinnenverkleidung 46 gezeigt, die im Bereich C eine Armauflage aufweist. Im Bereich B ist die Bordkante des Personenkraftwagens, wobei Insassen auch im Bereich B ihre Arme abstützen können. Somit sind die Bereiche B und C erhöhten Druckbelastungen ausgesetzt, wenn Insassen ihre Arme in den Bereichen B und C abstützen. Durch das lokal verstärkte Verpressen des Verbundbauteils in diesen Bereichen B und C können bleibende Verformungen auch bei hohen Belastungen vermieden werden. Mit anderen Worten, durch das lokal verstärkte Verpressen des Sandwichverbundes ist es möglich, Bereiche wie die Bereiche B und C mit erhöhter Druckfestigkeit herzustellen. In den Bereichen B und C treten durch Kontakt mit jeweiligen Fahrzeuginsassen erhöhte Druckbelastungen auf, wobei es durch stärkeres Verpressen dieser Bereiche B und C unwahrscheinlich ist, dass stärkere Belastungen beispielsweise durch Ellenbogen oder Aufdrücken von Fingern bleibende Verformungen im Sandwichverbund hinterlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058257 A1 [0002]
