DE102015007921A1

DE102015007921A1 - Verbundbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102015007921A1
Application number: DE102015007921.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Blumenstock; Benno Stamp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-20
Filing date: 2015-06-20
Publication date: 2016-12-22
Also published as: CN107708989B; US20180304542A1; WO2016206769A1; CN107708989A; EP3310571A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug, mit einer Kernschicht (12) aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum und wenigstens einer mit der Kernschicht (12) verbundenen Deckschicht (14, 16), wobei die Kernschicht (12) in einem Bereich eine höhere Dichte aufweist als die Dichte der Halbzeugkernschicht, wobei die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht (14, 16) in dem Bereich höherer Dichte durch Reibschweißen mit wenigstens einem Fügeelement (28) verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Ein solches Verbundbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines 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. Ferner sind die Kernschicht und die Deckschicht miteinander verpresst.
Im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Verbundbauteils wird die Deckschicht mit dem Kunststoffschaum verbunden, wobei die Kernschicht und die Deckschicht in ein Presswerkzeug eingebracht und mittels des Presswerkzeugs miteinander verpresst werden. Dadurch bilden die Deckschicht und die Kernschicht einen Schichtverbund des Verbundbauteils. 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, insbesondere verpresst, sein kann.
Ferner offenbart die DE 20 2011 005 422 U1 eine Kunststoffkarosserie aus mehreren in Sandwich-Bauweise gefügten Einzelteilen, die zumindest teilweise durch mehrere unterschiedliche Fügetechniken form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden und zu einer kompakten Fahrzeugkarosserie zusammengesetzt sind. Dabei bestehen zumindest einige der tragenden Einzelteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, und Hohlräume zwischen den Einzelteilen sind zumindest teilweise mit Schaumwerkstoff ausgefüllt. Ferner ist es vorgesehen, dass die Einzelteile im Pyrolyseverfahren in Schalenbauweise vorgefertigt sind und der Kunststoff nach einer Imprägnierung an einzelnen geeigneten Stellen mechanisch zu bearbeiten ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundbauteil sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen sich eine besonders kostengünstige Herstellung des Fahrzeugs realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders kostengünstige Herstellung des Fahrzeugs realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß zunächst vorgesehen, dass das Verbundbauteil eine Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum und wenigstens eine mit der Kernschicht verbundene Deckschicht beinhaltet. Die Kernschicht weist weiterhin in einem Bereich eine höhere Dichte auf als die Dichte der Halbzeugkernschicht. Mit anderen Worten wird die Kernschicht aus einem thermoplastischen Ausgangsschaummaterial, der Halbzeugkernschicht, geformt. Die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht ist in dem Bereich höherer Dichte durch Reibschweißen mit wenigstens einem Fügeelement verbunden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich Fügemethoden zum Verbinden eines Verbundbauteils, insbesondere dessen Deckschicht, mit wenigstens einem Fügeelement üblicherweise auf das Kleben oder Schrauben begrenzen, da dadurch Beschädigungen des Verbundbauteils, insbesondere der Kernschicht, sowie unerwünschte Abzeichnungen auf wenigstens einer Oberfläche des Verbundbauteils vermieden werden können. Kleben und Schrauben sind jedoch kostenintensiv und zeitaufwendig, insbesondere aufgrund der erforderlichen apparativen Vorkehrungen oder der Erfordernis, separate Verbindungselemente verwenden zu müssen. Im Gegensatz dazu kann durch den Einsatz des Reibschweißens eine besonders kosten- und zeitgünstig herzustellende Verbindung zwischen der Deckschicht und dem Fügeelement realisiert werden. Der Aufbau und die höhere Dichte ermöglichen dabei die zeit- und kostengünstige Durchführung des Reibschweißens, da unerwünschte Beschädigungen und Abzeichnungen auf Oberflächen des Verbundbauteils sicher vermieden werden können.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kernschicht in wenigstens einem ersten Teilbereich eine höhere Dichte als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich und damit lokale Verdichtungen auf, die gezielt erzeugt werden. Die gegenüber dem zweiten Teilbereich höhere Dichte im ersten Teilbereich ist beispielsweise dadurch realisiert, dass das Verbundbauteil in dem ersten Teilbereich starker als in dem an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich verpresst ist. Durch das lokal begrenzte, stärkere Verpressen im Rahmen der Herstellung des Verbundbauteils können Beschädigungen des Verbundbauteils vermieden werden, da die Dichte der als Schaumkern ausgebildeten Kernschicht lokal erhöht wird, woraus gegenüber dem weniger stark verpressten zweiten Teilbereich eine Erhöhung der mechanischen Druckeigenschaften beziehungsweise Druckfestigkeit der Kernschicht, das heißt des thermoplastischen Kunststoffschaums, resultiert. Üblicherweise sind die Schichten, insbesondere die Kernschicht, des Verbundbauteils gegenüber sehr hohem Druck und Temperatur empfindlich, was nun jedoch durch die lokal höhere Dichte, insbesondere durch das lokal stärkere Verpressen, vermieden werden kann. Da das Verbundbauteil jedoch nur lokal eine höhere Dichte aufweist beziehungsweise starker verpresst ist, bleibt der Materialcharakter des Verbundbauteils über das gesamte Verbundbauteil hinweg betrachtet erhalten. Mit anderen Worten ist es möglich, durch die lokal höhere Dichte eine schadlose Verbindung zwischen dem Verbundbauteil und dem Fügeelement in einfacher Weise zu erzielen. Durch die lokal höhere Dichte hält die Kernschicht auch sehr hohen Drücken gegenüber, wie sie beim Reibschweißen üblich sind, stand, sodass auf einfache Weise und örtlich sehr variabel eine Verbindung ermöglicht wird, ohne dass Beschädigungen auftreten.
Durch das lokal stärkere Verpressen des Verbundbauteils kann dieses ohne zusätzlichen Material-, Kosten- oder Zeitaufwand hergestellt und dabei belastungsgerecht ausgebildet werden, da die Drucksteifigkeit und die Druckfestigkeit lokal erhöht werden können. Mit anderen Worten ist es möglich, den ersten Teilbereich beziehungsweise jeweilige Teilbereiche, in denen das Verbundbauteil starker verpresst wird als in anderen Teilbereichen, zu ertüchtigen und dabei an lokal auftretende, hohe Belastungen anzupassen, wie sie beim Reibschweißen auftreten können. Somit ist es möglich, ein Eindrücken und ein Kollabieren des beispielsweise einen Sandwich-Verbund darstellenden Verbundbauteils durch Außeneinflüsse, das heißt beim Reibschweißen, zu vermeiden. Ferner ist es möglich, eine besonders hohe Oberflächengüte des Verbundbauteils zu schaffen, da Beeinträchtigungen der Oberfläche vermieden werden können.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Kernschicht vor dem Reibschweißvorgang durch Verpressen ganzflächig mit einer höheren Dichte als die Dichte der Halbzeugkernschicht, also als die Dichte in ursprünglichem Zustand der Kernschicht, ausgebildet wird. Hiernach erfolgt das Reibschweißen wie geschildert. Diese Ausgestaltung ist dann besonders günstig, wenn ein Verbundbauteil gewünscht ist, das zudem allseits auch außerhalb der Fügestellen druckfeste Eigenschaften besitzen soll. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, Teilflächen der Halbzeugkernschicht druckfest zu gestalten, die keine Fügestellen aufweisen sollen.
Eine Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Fügeelement aus einem Kunststoff gebildet ist. Im Rahmen des Reibschweißens werden der Kunststoff des Fügeelements und/oder der Kunststoff der Deckschicht aufgeschmolzen, wodurch das Fügeelement fest mit der Deckschicht und somit dem Verbundbauteil insgesamt verbunden wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner gezeigt, wenn der Kunststoff der Deckschicht ein Thermoplast ist. Der Thermoplast der Deckschicht ist eine Matrix beziehungsweise eine Kunststoffmatrix und insbesondere eine 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 und/oder Aramidfasern, um dadurch beispielsweise eine besonders vorteilhafte Steifigkeit der Deckschicht und somit des Verbundbauteils insgesamt zu schaffen. Insbesondere können dadurch besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Verbundbauteils realisiert werden. Dieser Ausführungsform liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die Kernschicht durch die thermoplastische Ausbildung der Deckschicht besonders gut geschützt werden kann, sodass durch das Reibschweißen bewirkte, unerwünschte Beeinträchtigungen des Verbundbauteils sicher vermieden werden können.
Durch die thermoplastische Ausbildung kann das Material sowohl der Deckschicht als auch des Fügeelements ohne weiteres aufgeschmolzen werden, wodurch diese stoffschlüssig miteinander verbunden werden können, ohne dabei die Kernschicht zu beschädigen. Das Reibschweißen kann beispielsweise mittels eines auf die beiden Fügepartner zu pressenden Stifts erfolgen und/oder durch das Fügeelement selbst. Ferner hat es sich gezeigt, dass bei der Verwendung von thermoplastischen Materialien eine gewisse Wandstärke, insbesondere Mindestwandstärke, vorteilhaft ist, um unerwünschte Abzeichnungen auf einer Oberfläche, insbesondere auf einer Sichtseite, des Verbundbauteils zu vermeiden. Unter der Sichtseite ist eine Seite oder eine Oberfläche des Verbundbauteils zu verstehen, welche im fertig hergestellten Zustand des Fahrzeugs von Betrachtern des Fahrzeugs, insbesondere von sich im Innenraum des Fahrzeugs aufhaltenden Insassen, optisch wahrnehmbar ist. Unter Abzeichnungen sind unerwünschte optische Beeinträchtigungen der Sichtseite zu verstehen, welche jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil vermieden werden können bei gleichzeitiger Realisierung der Möglichkeit, die Deckschicht mit dem Fügeelement durch Reibschweißen zu verbinden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Thermoplast der Deckschicht Polypropylen (PP) ist. Die Deckschicht ist beispielsweise ein Vlies beziehungsweise aus einem Vliesstoff gebildet und kann insbesondere aus einem Hybrid-Vliesstoff gebildet sein. Ferner ist es denkbar, dass die Deckschicht aus einem Organoblech oder einem Hybridgewebe gebildet ist.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der thermoplastische Kunststoffschaum der Kernschicht aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet. Mit anderen Worten ist die Kernschicht vorzugsweise ein PET-Schaumkern, dessen Dichte und somit mechanische Druckeigenschaften, insbesondere durch das lokal stärkere Verpressen, besonders vorteilhaft lokal erhöht werden können.
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. Die zuvor genannte Schmelzschicht ist beispielsweise durch den aufgeschmolzenen Kunststoff der Deckschicht gebildet.
Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders kostengünstige Herstellung des Fahrzeugs realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht mit wenigstens einem Fügeelement durch Reibschweißen verbunden wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundbauteils sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Um durch das Reibschweißen bewirkte, unerwünschte Beschädigungen und/oder Abzeichnungen auf einer Oberfläche des Verbundbauteils zu vermeiden, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Kernschicht in wenigstens einem ersten Teilbereich mit einer höheren Dichte als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich ausgebildet wird, wobei die Deckschicht in dem ersten Teilbereich durch Reibschweißen mit dem Fügeelement verbunden wird.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verbundbauteil in dem ersten Teilbereich starker als in dem zweiten Teilbereich verpresst wird, wobei nach dem Verpressen die Deckschicht in dem ersten Teilbereich durch Reibschweißen mit dem Fügeelement verbunden wird. Es wurde gefunden, dass die beispielsweise sehr dünne und ein Flächengewicht von 100 bis 500 Gramm pro Quadratmetern aufweisende Deckschicht die empfindliche und beispielsweise eine Dichte zwischen 50 und 200 Kilogramm pro Kubikmetern aufweisende Kernschicht bei üblichen Parametern des Reibschweißprozesses gegebenenfalls nicht schützen kann, da die Kernschicht unter der eingesetzten Normalkraft während des Reibschweißens kollabieren könnte oder sich die Fügestelle aufgrund des hohen Schweißdruckes auf der Sichtseite des Verbundbauteils abzeichnen würde. Derartige Abzeichnungen und Beschädigungen des Verbundbauteils können nun auch bei Verwendung einer sehr dünnen Deckschicht vermieden werden, da das Verbundbauteil lokal, das heißt im ersten Teilbereich eine höhere Dichte als im zweiten Teilbereich aufweist. Alternativ oder zusätzlich zu der lokal höheren Dichte kann das Verbundbauteil mit dem vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildeten Fügeelement durch Erhöhung der Schweißamplitude und/oder der Schweißfrequenz durch Reibschweißen verbunden werden, da dann die beim Reibschweißen auf das Verbundbauteil wirkende Normalkraft und somit die Gefahr, dass die Kernschicht kollabiert, besonders gering gehalten werden können.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Reibschweißen mit einer Schweißamplitude von 1 Millimeter durchgeführt wird. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Kernschicht beim Verpressen eine Temperatur aufweist, welche zumindest nahezu der Verarbeitungstemperatur des Kunststoffs der Deckschicht entspricht. Hierdurch lässt sich die Kernschicht stauchen, ohne dass Zellwände der Kernschicht brechen oder Aufschmelzen. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Temperatur in einem Bereich von 160 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius liegt.
Vorzugsweise wird als der Kunststoff der Deckschicht ein Thermoplast verwendet, welcher insbesondere Polypropylen (PP) sein kann. Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der thermoplastische Kunststoffschaum aus Polyethylenterephtelat (PET) gebildet ist, so dass die Kernschicht als PET-Schaumkern ausgebildet ist. 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 von PET, 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. Damit ergibt sich für den Herstellprozess ein großer nutzbarer Temperaturbereich. Zudem wird die Prozesssicherheit beim Schweißen erhöht, wenn die Schmelztemperatur des Kerns deutlich höher liegt als die Schmelztemperatur der Deckschicht.
Zusätzlich oder alternativ zu dem gegenüber dem zweiten Teilbereich stärkeren Verpressen der Kernschicht im ersten Teilbereich kann vorgesehen sein, dass die Kernschicht durch ein Extrusionsverfahren hergestellt wird, wobei die lokal höhere Dichte im ersten Teilbereich beispielsweise durch Variierung des Extrusionsverlaufs der Kernschicht bei deren Herstellung eingestellt wird. Denkbar ist es ebenfalls, aus der Kernschicht partiell, das heißt im ersten Teilbereich, ein Teil herauszutrennen, insbesondere auszuschneiden, woraus eine Ausnehmung beziehungsweise eine Lücke im ersten Teilbereich resultiert. In die Ausnehmung, das heißt in den ersten Teilbereich wird dann ein Schaumkörper eingefügt, welcher eine höhere Dichte als die übrige Kernschicht, das heißt als der sich an den Schaumkörper anschließende zweite Teilbereich aufweist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 eine schematische Schnittansicht durch ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug, mit einer Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum und wenigstens einer mit der Kernschicht verbundenen Deckschicht, wobei die Kernschicht in wenigstens einem ersten Teilbereich eine höhere Dichte als in wenigstens einem an den ersten Teilbereich angrenzenden, zweiten Teilbereich aufweist, und wobei die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht in dem ersten Teilbereich durch Reibschweißen mit wenigstens einem Fügeelement verbunden wird; und
2 eine weitere schematische Schnittansicht durch das Verbundbauteil, welches mit jeweiligen Fügeelementen durch Reibschweißen verbunden wird.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Verbundbauteil in Form eines Sandwich-Verbundbauteils, welches aus einem mit 10 bezeichneten Schichtverbund hergestellt ist. Der Schichtverbund 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 Schichtverbund 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 der Deckschicht 14 beziehungsweise 16 vorzugsweise ein Thermoplast und insbesondere Polypropylen (PP) ist. Der Kunststoff der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 ist somit eine Matrix oder ein Matrixwerkstoff, in welche beziehungsweise welchen Verstärkungsfasern eingebettet sind. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich vorzugsweise um Glasfasern, Naturfasern, Aramidfasern und/oder Karbonfasern. Die jeweilige Deckschicht 14 beziehungsweise 16 kann beispielsweise aus einem Hybrid-Vliesstoff, Organoblech oder Hybridgewebe gebildet sein.
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 Schichtverbundes 10 verflüssigt beziehungsweise aufgeschmolzen wird. Die jeweilige Bindeschicht 18 beziehungsweise 20 ist beispielsweise durch den Kunststoff der jeweiligen Deckschicht 14 beziehungsweise 16 oder durch einen zusätzlich vorgesehenen Kunststoff oder aber aus einem Klebstoff, insbesondere reaktivem 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.
Insgesamt ist aus 1 erkennbar, dass durch den Schichtverbund 10 ein Sandwich-Verbund mit thermoplastischem Schaumkern und faserverstärkten thermoplastischen Deckschichten 14 und 16 gebildet ist. Beispielsweise wird aus dem Schichtverbund 10 ein Verkleidungsteil, insbesondere Innenverkleidungsteil, eines Fahrzeugs wie beispielsweise eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens hergestellt.
Der Schichtverbund 10 wird beispielsweise als Halbzeug in ein Presswerkzeug eingebracht, welches zwei Werkzeughälften umfasst. Die Werkzeughälften sind beispielsweise gegenüberliegend angeordnet und aufeinander zu und voneinander weg bewegbar. Befindet sich der Schichtverbund 10 (Halbzeug) beispielsweise zwischen den Werkzeughälften, so werden diese aufeinander zu bewegt, das heißt geschlossen, wodurch der Schichtverbund 10 beispielsweise verpresst wird. Dadurch ist das Verbundbauteil ein Pressbauteil, welches mittels des Presswerkzeugs verpresst und dabei oder aber nachfolgend mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt wird.
Optional kann der Schichtverbund 10 eine Dekorschicht 22 umfassen, welche auf der Deckschicht 14 angeordnet und beispielsweise mit der Deckschicht 14 verbunden ist. Die Dekorschicht 22 ist auf einer Sichtseite 24 des Verbundbauteils angeordnet. Unter einer solchen Sichtseite ist eine Seite zu verstehen, welche im fertig hergestellten Zustand des Fahrzeugs von Betrachtern dieses, insbesondere von sich im Innenraum des Fahrzeugs aufhaltenden Insassen, optisch wahrnehmbar ist. Durch die Dekorschicht 22 kann somit ein vorteilhafter optischer Eindruck des Verbundbauteils insgesamt geschaffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schichtverbund 10 eine Textilschicht 26 aufweisen, welche auf einer der Sichtseite 24 beziehungsweise der Dekorschicht 22 abgewandten Seite der Deckschicht 16 angeordnet und beispielsweise mit der Deckschicht 16 verbunden ist. Die Textilschicht 26 ist beispielsweise aus Polyester gebildet.
In 1 ist auch ein Fügeelement 28 gezeigt, welches beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet ist. Wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird, wird das Fügeelement 28 durch Reibschweißen mit einer der Deckschichten 14 und 16 und vorliegend mit der Deckschicht 16 verbunden, sodass das Fügeelement 28 ein Kunststoffschweißteil ist. Mit anderen Worten wird das Fügeelement 28 auf den Schichtverbund 10 aufgeschweißt, ohne dass es hierbei zu unerwünschten Beschädigungen des Schichtverbundes 10 kommt.
Im Rahmen des Reibschweißens wird das Fügeelement 28 auf den Schichtverbund 10, insbesondere die Deckschicht 16, aufgepresst und in Schwingung versetzt, wodurch Energie zugeführt wird. Die zugeführte Energie muss dabei so hoch sein, dass der Kunststoff des Fügeelements 28 und optional der Kunststoff der Deckschicht 16 schmilzt und sich das Fügeelement 28 an einer Kontaktfläche mit dem Schichtverbund 10, das heißt der Deckschicht 16, verbindet. Die Menge der zugeführten Energie setzt sich aus einer Normalkraft, mit welcher das Fügeelement 28 beim Reibschweißen gegen den Schichtverbund 10 gepresst wird, und der Frequenz sowie der Amplitude der Schwingung zusammen. Die Amplitude wird dabei auch als Schweißamplitude bezeichnet, wobei die Frequenz als Schweißfrequenz bezeichnet wird. In 2 ist die Normalkraft mit einem Kraftpfeil F bezeichnet. Ferner veranschaulichen Doppelpfeile 30 in 2 die Schweißamplitude und/oder die Schweißfrequenz. Eine Erhöhung der Normalkraft sowie eine Erhöhung der Frequenz und/oder der Amplitude der Schwingung führen zu einer Erhöhung der zugeführten Energiemenge.
Bei Sandwich-Verbundbauteilen, speziell bei Sandwich-Verbundbauteilen mit thermoplastischem Schaumkern, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass eine zu hohe Normalkraft beim Reibschweißen den Schichtverbund 10 beschädigt. Ist die eingetragene beziehungsweise zugeführte Energie zu hoch, so kann die Deckschicht 16 aufgeschmolzen werden. In der Folge kann das Fügeelement 28 ungesteuert in den Schichtverbund 10 eindringen und diesen beschädigen. Dieses Versagensbild kann ebenfalls dadurch zustande kommen, dass eine auf den Schichtverbund 10 wirkende und der Normalkraft entgegengesetzte Gegenkraft zu gering ist und die belastete Kernschicht 12 kollabiert. Ein weiteres Versagensbild ist, dass es auf der Sichtseite 24 zu unerwünschten Abzeichnungen kommt. Unter einer solchen Abzeichnung ist beispielsweise ein unerwünschter Glanz oder eine unerwünschte Verformung auf der Sichtseite 24 und insbesondere auf der Oberfläche der Dekorschicht 22 zu verstehen, wobei eine solche Abzeichnung ebenfalls durch zu hohe Normalkraft bewirkt werden kann.
Das Verbinden des Fügeelements 28 mit dem Schichtverbund 10 durch Reibschweißen ist jedoch wünschenswert, da hierdurch das Fügeelement 28 auf besonders zeit- und kostengünstige Weise mit dem Schichtverbund 10 verbunden werden kann, sodass insgesamt eine kostengünstige Herstellung des Fahrzeugs realisiert werden kann.
Um nun das Fügeelement 28 mit dem Schichtverbund 10 durch Reibschweißen zu verbinden und dabei unerwünschte Beschädigungen des Schichtverbunds 10 zu vermeiden, ist es – wie aus 2 erkennbar ist – beispielsweise vorgesehen, dass die Kernschicht 12 in wenigstens einem Teilbereich 32 eine höhere Dichte als in sich an den ersten Teilbereich 32 angrenzenden zweiten Teilbereichen 34 aufweist, wobei das Fügeelement 28 in dem ersten Teilbereich 32 mit der Deckschicht 16 durch Reibschweißen verbunden ist. Diese gegenüber dem jeweiligen zweiten Teilbereich 34 höhere Dichte im ersten Teilbereich 32 wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass der Schichtverbund 10, insbesondere die Kernschicht 12, im Rahmen des zuvor beschriebenen Pressens im ersten Teilbereich 32 starker als in den zweiten Teilbereichen 34 verpresst wird. Durch dieses lokal stärkere Verpressen weist die Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 32 eine höhere Dichte als in den zweiten Teilbereichen 34 auf, sodass die Kernschicht 12 gegenüber den zweiten Teilbereichen 34 im ersten Teilbereich 32 eine erhöhte Drucksteifigkeit und Druckfestigkeit aufweist. Somit kann die Gefahr, dass die Kernschicht 12 beim Reibschweißen kollabiert, besonders gering gehalten werden. Die notwendige Steifigkeit/Gegenkraft des Schaumes kann nicht nur durch ein lokales Verpressen der Schaumschicht erzeugt werden, sondern ebenfalls durch eine ganzflächige Verpressung. Hierzu findet eine Dichteerhöhung des Schaumes über die gesamte Bauteildicke statt. Zweckmäßig hat sich beispielsweise erwiesen, einen Schaumkern bzw. Kernschicht 12 mit einer Ursprungsdicke von 3 mm und einer Raumdichte von 65 kg/m³ auf ca. 2 mm zu verpressen. Ebenfalls hilft diese stärkere bauteilübergreifende Verpressung zur Konsolidierung der Deckschichten.
Alternativ oder zusätzlich zu dem lokal stärkeren Verpressen ist es beispielsweise denkbar, die Kernschicht 12 durch ein Extrusionsverfahren herzustellen und dabei das Extrusionsverfahren derart zu variieren, dass die Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 32 die gegenüber den zweiten Teilbereichen 34 höhere Dichte aufweist. Ferner ist es denkbar, aus der Kernschicht 12 nach ihrer Herstellung im ersten Teilbereich 32 einen Teil herauszutrennen, wodurch im ersten Teilbereich 32 eine Ausnehmung gebildet wird. In diese Ausnehmung wird dann ein Schaumkörper eingesetzt, welcher dann im ersten Teilbereich 32 angeordnet ist. Der Schaumkörper weist dabei eine höhere Dichte als die zweiten Teilbereiche 34 auf. Vorzugsweise ist das Fügeelement 28 durch Spritzgießen hergestellt, das heißt als Spritzgussbauteil ausgebildet, sodass das Fügeelement 28 besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.
Durch die bezogen auf die Bildebene von 2 auf der linken Seite gezeigte, lokal stärkere beziehungsweise höhere Verpressung des Schichtverbunds 10 kann ein der Normalkraft entgegenstehender Gegendruck des Werkstoffes der Kernschicht 12 erhöht werden, da die Kernschicht 12 im ersten Teilbereich 32 eine höhere Druckfestigkeit und Drucksteifigkeit aufweist als in den zweiten Teilbereichen 34. Die Steigerung der mechanischen Druckeigenschaften des thermoplastischen Schaumkerns ist darin begründet, dass die Verpressung beispielsweise im heißen Zustand während der Bauteilherstellung erfolgt. Hierbei wird der Schaumkern zumindest nahezu auf die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix der Deckschichten 14 und 16 erwärmt. Bei dieser Temperatur, welche beispielsweise 160 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius beträgt, lässt sich der PET-Schaumkern stauchen, ohne dass Zellwände des Schaumkerns brechen oder aufschmelzen. Die somit plastisch gestauchte Schaumstruktur kann durch die Materialverdichtung höhere Kräfte aufnehmen, wodurch die Druckeigenschaften lokal gesteigert werden. Dies ermöglicht eine Reibschweißung bei einer recht hohen Normalkraft, was durch die Länge des Kraftpfeils F dargestellt ist.
Auf der rechten Seite von 2 ist eine weitere Möglichkeit veranschaulicht, unerwünschte Beschädigungen des Schichtverbunds 10 beim Reibschweißen zu vermeiden. Die einzutragende Energie zum Aufschmelzen jeweiliger Anbindungsflächen bei nur sehr geringer Normalkraft erfolgt durch eine Erhöhung der Schweißamplitude und/oder Schweißfrequenz. Dabei beträgt die Schweißamplitude vorzugsweise zumindest im Wesentlichen 1 Millimeter. Durch Erhöhung der Schweißamplitude und/oder Schweißfrequenz kann die Normalkraft gering gehalten werden, sodass die Gefahr, dass es zum Kollabieren des Schichtverbundes 10 kommt, besonders gering gehalten werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006058257 A1 [0002]
DE 202011005422 U1 [0004]

Claims

Verbundbauteil für ein Fahrzeug, mit einer Kernschicht (12) aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum und wenigstens einer mit der Kernschicht (12) verbundenen Deckschicht (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (12) in einem Bereich eine höhere Dichte aufweist als die Dichte der Halbzeugkernschicht, wobei die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht (14, 16) in dem Bereich höherer Dichte durch Reibschweißen mit wenigstens einem Fügeelement (28) verbunden ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (28) aus einem Kunststoff gebildet ist
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Deckschicht (14, 16) ein Thermoplast, vorzugsweise Polypropylen ist, und dass der thermoplastische Kunststoffschaum der Kernschicht (12) aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für ein Fahrzeug, bei welchem eine Kernschicht (12) aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum mit wenigstens einer Deckschicht (14, 16) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Deckschicht (14, 16) mit wenigstens einem Fügeelement (28) durch Reibschweißen verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (12) vor dem Reibschweißvorgang in einem Bereich mit einer höheren Dichte als die Dichte der Halbzeugkernschicht ausgebildet wird, wobei die Deckschicht (14, 16) in dem Bereich höherer Dichte durch Reibschweißen mit dem Fügeelement (28) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (12) vor dem Reibschweißvorgang durch Verpressen ganzflächig mit einer höheren Dichte als die Dichte der Halbzeugkernschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (12) einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als der Thermoplastanteil der Deckschicht (14, 16) aufweist.
Verfahren nach einem Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibschweißen mit einer Schweißamplitude von 1 Millimeter durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (12) mit der Deckschicht (14, 16) verpresst wird und beim Verpressen eine Temperatur aufweist, welche zumindest nahezu der Verarbeitungstemperatur des Kunststoffes der Deckschicht (14, 16) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Materialkombination PP der Deckschicht (14, 16) mit PET der Kernschicht (12) die Temperatur in einem Bereich von 160 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius liegt.