DE102015101945A1

DE102015101945A1 - Dreidimensional konturierter, akustisch wirksamer Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015101945A1
Application number: DE102015101945.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Fink; Christoph Nachbaur
Original assignee: Carcoustics Techconsult GmbH
Current assignee: Carcoustics Techconsult GmbH
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-08-11
Also published as: CN205075427U; US20160233736A1; CN105856747A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschild 1 für ein Kraftfahrzeug, mit einer Wärmereflexionsschicht 10 aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium, einer akustischen Dammschicht 14 aus einem thermoformbaren, gummielastischen sowie thermoplastischen Werkstoff mit einer Dichte zwischen 1 g/ccm und 5 g/ccm, bevorzugt zwischen 1,5 g/ccm und 3 g/ccm. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hitzeschilds.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensional konturierter, akustisch wirksamer Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hitzeschild zur Verwendung am Abgasstrang oder im Getriebetunnel eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschilds für ein Kraftfahrzeug.
Aufgrund der insbesondere am Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor auftretenden hohen Temperaturen, die 180° und darüber betragen können, hat sich die Verwendung von Hitzeschilden besonders bewährt, welche vollständig aus metallischen Komponenten aufgebaut sind. Diese Hitzeschilde stellen eine effektive thermische Abschirmung bereit und widerstehen den im Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretenden hohen Temperaturen problemlos auch über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs hinweg. Jedoch hat sich herausgestellt, dass Hitzeschilde, welche vollständig aus metallischen Bauteilen aufgebaut sind, angesichts der zunehmend verschärften staatlichen Vorschriften bezüglich Lärmemission zunehmend an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen.
Eine verbesserte akustische Wirksamkeit zeigen die aus der EP 0 881 423 A1 bekannten dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschilde für Kraftfahrzeuge. Dieses Dokument offenbart einen akustisch wirksamen Hitzeschild, welcher ein metallisches Abschirmblech mit einer auf einem Träger montierten Schallabsorptionslage z. B. aus einem Faservlies kombiniert. Dabei ist der Träger durch einen Luftspalt vom Abschirmblech getrennt.
Auch der WO 2005/061280 A1 ist ein Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug zu entnehmen, welches auf einer Mehrzahl mittels einer Klebeschicht miteinander verbundener mikroperforierter Metallfolien basiert, zu weiterhin mit einer noppenartigen Prägung versehen sind. Die verbundenen Metallfolien bilden einen selbsttragenden Verbund aus. Weiterhin ist eine schallabsorbierende Schicht aus einem Faservliesmaterial vorgesehen.
Beide vorgenannte Hitzeschilde weisen jedoch einen vielteiligen mechanischen Aufbau auf und sind daher aufwendig in der Fertigung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen dreidimensional konturierten akustisch wirksamen Hitzeschild für ein Kraftfahrzeug mit vereinfachtem mechanischem Aufbau anzugeben. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschilds mit vereinfachtem mechanischem Aufbau anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hitzeschild mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Ein erfindungsgemäßes Hitzeschild weist eine dreidimensionale Kontur auf und ist sowohl thermisch als auch akustisch wirksam. Es ist für die Verwendung an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, insbesondere am Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor oder am Getriebetunnel eines derartigen Kraftfahrzeugs. Es weist eine Wärmereflexionsschicht aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium auf sowie eine akustische Dämmschicht aus einem thermoplastischen, gummielastischen sowie thermoformbaren Werkstoff, der eine Dichte zwischen 1 g/ccm und 5 g/ccm aufweist, bevorzugt zwischen 1,5 g/ccm und 3 g/ccm. Zwischen der Wärmereflexionsschicht, die beispielsweise als metallische Folie aus Aluminium mit einer Dicke von typisch zwischen 50 und 500 Mikrometern, insbesondere zwischen 75 und 150 Mikrometern, ausgebildet sein kann, und der akustischen Dämmschicht ist eine Hot-Melt-Klebefolie aus einem polymeren Werkstoff wie z. B. einem Polyolefin oder LD-PE angeordnet.
Dabei bildet die Klebefolie eine bevorzugt flächige, zumindest jedoch bereichsweise mechanische Verbindung zwischen der Wärmereflexionsschicht und der Dämmschicht aus.
Ein derartiger Hitzeschild ist einfach und rationell auch in Großserie herzustellen, wobei im Folgenden noch genauer auf ein geeignetes Herstellungsverfahren eingegangen wird. Darüber hinaus weist ein erfindungsgemäßer Hitzeschild neben sehr guten thermischen Isolationseigenschaften eine gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten vollmetallischen Hitzeschilden deutlich erhöhte akustische Performance auf. Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe gummielastischer Werkstoffe mit Dichten im angegebenen Bereich bekannt, die eine ausreichende thermische Stabilität aufweisen, um die Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs zu erlauben.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter „Hitzeschild zur Verwendung an einem Kraftfahrzeug” ein Bauteil verstanden wird, welches den Übertrag von Wärme und Hitze auf einen abzuschirmenden Bereich des Kraftfahrzeugs, z. B. den Fahrgastraum, vermindert. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer Hitzeschild auch so ausgeformt werden, dass er als sogenannter „Wasserkasten” für ein Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Ein solcher „Wasserkasten” ist Bestandteil der Stirnwand eines Kraftfahrzeugs, welche den Motorraum vom Fahrgastraum trennt und letzteren vor Lärm- und Wärmeeintrag aus dem Motorraum schützt. Insbsondere kann ein solcher „Wasserkasten” den von Scheibenwischern und -sprühdüsen ausgefüllten Bauraum umfassen.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Klebefolie, welche beispielsweise wärmeaktivierbar ist, nach dem Aktivieren zumindest teilweise duroplastische Eigenschaften aufweist. Entsprechende Hot-Melt-Klebefolien sind aus dem Stand der Technik verschiedentlich bekannt. Es stehen Klebefolien zur Verfügung, die bereits bei recht niedrigen Temperaturen, die beispielsweise zwischen 120°C und 130°C liegen können, wärmeaktiviert werden können, d. h. bereits bei dieser Temperatur eine dauerhafte und mechanisch belastbare Verklebung von Wärmereflexionsschicht und Dämmschicht ausbilden. Insbesondere wenn die aktivierte Klebefolie zumindest teilweise duroplastische Eigenschaften aufweist, ist ihre thermische Belastbarkeit deutlich höher als ihre Aktivierungstemperatur. Dies bedeutet, dass beispielsweise eine Hot-Melt-Klebefolie, deren Aktivierungstemperatur zwischen 120°C und 130°C liegt, nach ihrer Aktivierung problemlos Temperaturen auch deutlich über 150°C, teilweise auch über 180°C widersteht, ohne sich erneut zu verflüssigen. Insbesondere die Verwendung derartiger Hot-Melt-Klebefolien erlaubt es, eine dauerhafte Verbindung zwischen Wärmereflexionsschicht und Dämmschicht bereitzustellen, deren Lebensdauer die Lebensdauer des Kraftfahrzeug, an welchem der Hitzeschild eingesetzt wird, übersteigen kann.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Hot-Melt-Klebefolie polymere Inhaltsstoffe, die beim Wärmeaktivieren Vernetzungsreaktionen zeigen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine derartige Hot-Melt-Klebefolie vorteilhaft einsetzbar, wenn sie nach dem Wärmeaktivieren einen um mindestens 30°C, bevorzugt um mindestens 50°C erhöhten Schmelzpunkt aufweist. Auch für eine solche Hot-Melt-Klebefolie gilt, dass sie nach ihrer Aktivierung problemlos den im Thermoformprozess auftretenden Temperaturen widerstehen kann, ohne sich erneut (vollständig) zu verflüssigen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung schließlich schmilzt die Hot-Melt-Klebefolie bei einer Temperatur oberhalb ihres Aktivierungstemperatur thermoplastische auf, ohne zu vernetzen, vermittelt aber auch im geschmolzenen Zustand eine ausreichende Adhäsion zwischen Wärmereflexionsschicht und Dämmschicht, wenn der Materialverbund in das heiße Thermoformwerkzeug eingebracht wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das Material der Hot-Melt-Klebefolie auch im aufgeschmolzenen Zustand eine ausreichend hohe Viskosität aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass grundsätzlich anstelle einer Hot-Melt-Klebefolie gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen auch ein Hot-Melt-Klebepulver mit vergleichbaren Eigenschaften verwendet werden kann.
Es hat sich für den Fachmann überraschend gezeigt, dass, obwohl viele aus dem Stand der Technik vorbekannte thermoplastische, gummielastische sowie thermoformbare Werkstoffe mit einer Dichte im beanspruchten Bereich eine Schmelztemperatur aufweisen, die teilweise deutlich unterhalb eines zur Herstellung des Hitzeschilds angewendeten Thermoformprozesses auftretenden Temperaturen liegt, dennoch ein miteinander verbundener Materialverbund aus Wärmereflexionsschicht, Hot-Melt-Klebefolie und Dämmschicht erstellt werden kann, der auch beim angewendeten Thermoformprozesses kurzfristig auftretenden hohen Temperaturen widersteht, ohne zu zerfallen. Diese für den Fachmann unerwartete Eigenschaft des erfindungsgemäßen Hitzeschilds wird von den Erfindern ursächlich auf den Einsatz einer Hot-Melt-Klebefolie mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften zur Verklebung von Wärmereflexionsschicht und akustischer Dämmschicht zurückgeführt.
Bei geeigneter Materialwahl von akustischer Dämmschicht und Hot-Melt-Klebefolie ist es darüber hinaus möglich, ein Hitzeschild bereitzustellen, welches eine ausreichende Dauerwiderstandsfähigkeit gegen die bei der praktischen Verwendung am Hitzeschild auftretenden Temperaturen aufweist, selbst wenn diese über der Schmelztemperatur der akustischen Dämmschicht liegen sollten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die akustische Dämmschicht des erfindungsgemäßen Hitzeschilds den gummielastischen Werkstoff in Form eines verdichteten Granulats. Durch geeignete Verarbeitung kann aus einem solchen Granulat beispielsweise eine Matte definierter Dichte und definierter Stärke hergestellt werden, die im mittels einer Hot-Melt-Klebefolie mit der Wärmereflexionsschicht verbundenen Zustand auch höheren Temperaturen widersteht als der Schmelztemperatur des thermoplastischen gummielastischen Werkstoffs der akustischen Dämmschicht.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Dämmschicht als Bestandteil einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (im folgenden kurz EPDM) umfasst. Bevorzugt wird ein Gewichtsanteil von EPDM an der Dämmschicht zwischen 20 und 50%, insbesondere bevorzugt zwischen 25 und 35%.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dämmschicht, welche beispielsweise auf EPDM basieren kann, weiterhin einen mineralischen Füllstoff umfasst, beispielsweise Bariumsulfat (BaSO₄) oder Dolomit. Grundsätzlich sind natürlich vorkommende oder synthetische Silikate, Karbonate, Sulfate, Oxide und Hydroxide als Füllstoffe geeignet. Der bevorzugte Gewichtsanteil des mineralischen Füllstoffs in der Dämmschicht beträgt dabei zwischen 55 und 85%, besonders bevorzugt zwischen 65 und 75%. Durch geeignete Wahl des verwendeten mineralischen Füllstoffs sowie des zugefügten Gewichtsanteils kann die Dichte der akustischen Dämmschicht gezielt eingestellt werden.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dämmschicht, die wiederum vorteilhaft auf EPDM basieren kann, als weitere Komponente einen gewissen Anteil von HD-PE umfasst. Als bevorzugt hat sich ein Gewichtsanteil von HD-PE im Bereich zwischen 2 und 10% herausgestellt, insbesondere bevorzugt zwischen 3,5 und 6,5%. Die Beifügung von HD-PE im angegebenen Gewichtsanteilbereich führt zu einer guten relativen Anhaftung der granularen Partikel in der Dämmschicht auch bei den bei der praktischen Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds auftretenden erhöhten Temperaturen.
Eine weitere Verbesserung der akustischen Wirksamkeit eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds kann ggf. durch Einbringung einer Mikroperforierung in die Wärmereflexionsschicht erzielt werden. Hierzu werden beispielsweise kreisrunde Löcher mit einem Durchmesser zwischen 50 und 900 Mikrometern, bevorzugt im Größenbereich zwischen 70 und 250 Mikrometern, und einer Flächendichte von mindestens 15 Löchern pro Quadratzentimeter in die Wärmereflexionsschicht eingebracht. Die Einbringung der Löcher kann dabei bereits bei der Herstellung der Wärmereflexionsschicht erfolgen. Ggf. kann sie aber auch im Rahmen eines Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Hitzeschild eingebracht werden.
Auch die Einbringung einer Kalottenprägung in die Wärmereflexionsschicht kann die akustische Wirksamkeit eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds verbessern, wobei sich als besonders geeignet herausgestellt hat, wenn die Kalottenprägung aus der Einbringung einer Vielzahl von halbkugelförmigen Vertiefungen in die Wärmereflexionsschicht besteht, deren Durchmesser im Bereich zwischen 0,5 und 3 mm liegt, insbesondere im Bereich zwischen 1 und 1,5 mm. Die Dichte der Kalotten beträgt mindestens 100 Kalotten je dm², bevorzugt 150 Kalotten je dm². Die Einbringung einer Kalottenprägung erfüllt darüber hinaus die Steifigkeit der Wärmereflexionsschicht und verleiht auf diese Weise einem erfindungsgemäßen Hitzeschild eine erhöhte mechanische Stabilität.
In der praktischen Erprobung hat es sich ergeben, dass das Flächengewicht eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds vorteilhaft zwischen 2 und 6 kg/qm beträgt, insbesondere bevorzugt zwischen 3,5 und 5 kg/qm. Liegt die Dichte der akustischen Dämmschicht im angegebenen Bereich, so ergeben sich typische Dicken eines erfindungsgemäßen Hitzeschild von einigen Millimetern, typisch zwischen 2,5 und etwa 5 mm. Hitzeschilde mit einer solchen Dicke weisen eine ausreichende mechanische Stabilität auf, so dass auch bei der Verwendung großflächiger Hitzeschilde im praktischen Betrieb nicht mit Verformungen aufgrund von Schwingungseinflüssen oder des Eigengewichts des Hitzeschilds zu rechnen ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der bevorzugten Weiterbildungen im Rahmen des technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Weiterhin können die vorstehend in Bezug auf vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds diskutierten Merkmale selbstverständlich ebenfalls Verwendung finden im Kontext des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hitzeschilds. Ein solches Verfahren, welches zur Herstellung eines dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschilds für ein Kraftfahrzeug geeignet ist, umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines flächenhaften Materialverbunds aus
i) einer Wärmereflexionsschicht aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium,
ii) einer wärmeaktivierbaren Hot-Melt-Klebefolie aus einem polymeren Werkstoff wie einem Polyolefin oder LD-PE, und
iii) einer akustischen Dämmschicht aus einem thermoformbaren, thermoplastischen sowie gummielastischen Werkstoff mit einer Dichte zwischen 1 g/ccm und 5 g/ccm, bevorzugt zwischen 1,5 g/ccm und 3 g/ccm, wobei die Klebefolie zwischen Wärmereflexionsschicht und Dämmschicht angeordnet ist,
b) Thermoformen des flächenhaften Materialverbunds in einem Thermoformwerkzeug, bei dem zumindest eine Formhälfte eine Formwerkzeugtemperatur aufweist, die über der Aktivierungstemperatur der wärmeaktivierbaren Hot-Melt-Klebefolie sowie über der Schmelztemperatur des thermoplastischen gummielastischen Materials der Dämmschicht liegt, zur Ausbildung eines dreidimensional konturierten Hitzeschilds.

Insbesondere erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, erfindungsgemäße Hitzeschilde herzustellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Formwerkzeugtemperatur zumindest einer Formhälfte so gewählt, dass die Formwerkzeugtemperatur höher ist als die Schmelztemperatur der akustischen Dämmschicht. Insbesondere liegt die Formwerkzeugtemperatur mindestens 10°, bevorzugt mindestens 20° und besonders bevorzugt mindestens 30° höher als die Schmelztemperatur. Sofern die gummielastische Dämmschicht auf EPDM basiert, so liegt die Schmelztemperatur der Dämmschicht im Bereich von etwa 130°C. Hier hat sich eine Verarbeitungstemperatur des Formwerkzeugs von etwa 180°C als optimal erwiesen.
Für den Fachmann unerwartet hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn auch die Aktivierungstemperatur der Klebefolie deutlich niedriger ist als die Temperatur des Formwerkzeugs. Beispielsweise ist es möglich, eine Klebefolie auf Polyolefinbasis zu verwenden, welche eine Aktivierungstemperatur von etwa 130°C aufweist. Auch bei Verarbeitungstemperaturen im Formwerkzeug von 180°C erweist sich der Materialverbund bestehend aus Wärmereflexionsschicht, Hot-Melt-Klebefolie und Dämmschicht als ausreichend mechanisch miteinander verbunden, dass auch bei der formgebenden Bearbeitung im geheizten Formwerkzeug keine Delamination des Materialverbunds und sogar ein Auseinanderfallen des Materialverbunds zu befürchten wäre.
Dabei hat es sich herausgestellt, dass die Verklebung des Materialverbunds besonders widerstandsfähig gegen die erhöhten Temperaturen beim Thermoformen ist, wenn die beispielsweise thermisch aktivierte Klebefolie nach dem Aktivieren zumindest teilweise duroplastische Eigenschaften aufweist.
Ebenfalls als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Klebefolie nach dem Wärmeaktivieren einen um mindestens 30°C, bevorzugt um mindestens 50°C erhöhten Schmelzpunkt aufweist.
Schließlich hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Klebefolie bei einer Temperatur oberhalb ihres Aktivierungstemperatur aufschmilzt, aber auch im geschmolzenen Zustand eine Adhäsion zwischen Wärmereflexionsschicht und Dämmschicht vermittelt.
Die akustische Dämmschicht kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise nach einem Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten ausgebildet werden:

a) Bereitstellen des gummielastischen Werkstoffs in Form eines Granulats,
b) Aufstreuen des Granulats auf ein Förderband,
c) Verdichten und Erhitzen des Granulats über den Schmelzpunkt des gummielastischen Werkstoffs hinaus zur Einstellung der gewünschten Dichte und Dicke der Dämmschicht sowie zur Ausbildung der Dämmschicht.

Vorteilhaft wird Verfahrensschritt c) das verdichtete Granulat auf eine Temperatur erhitzt, die mindestens der Schmelztemperatur des verwendeten gummielastischen Werkstoffs entspricht, bevorzugt aber deutlich höher ist als die Schmelztemperatur. Insbesondere vorteilhaft ist die Verwendung einer Temperatur, die um mindestens 10°, bevorzugt mindestens 20° und insbesondere bevorzugt mindestens 30° über der Schmelztemperatur des verwendeten gummielastischen Werkstoffs liegt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des vorgenannten Verfahrens zur Ausbildung der Dämmschicht wird das auf ein Förderband aufgestreute Granulat vor dem Verdichten und Erhitzen mit der Wärmereflexionsschicht sowie der Hot-Melt-Klebefolie zusammengeführt. Nachfolgend wird der Materialverbund bestehend aus dem auf das Förderband aufgestreuten Granulat, der Hot-Melt-Klebefolie sowie der Wärmereflexionsschicht gemeinschaftlich dem Verfahrensschritt c) unterzogen, d. h. verdichtet sowie erhitzt. Bei dieser Verfahrensführung ist es insbesondere von Vorteil, wenn die im Verfahrensschritt c) angewendete Temperatur höher ist als die Aktivierungstemperatur der Hot-Melt-Klebefolie.
In einer alternativen Verfahrensführung wird die Dämmschicht mittels Extrusion hergestellt. Eine besonders einfache Verfahrensführung ergibt sich insbesondere dann, wenn die Dämmschicht direkt auf die Klebefolie, besonders bevorzugt auf einem flächenhaften Materialverbund bestehend aus Klebefolie und metallischer Wärmereflexionsschicht aufextrudiert wird.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung der akustischen Dämmschicht wird der hergestellte Materialverbund bestehend aus metallischer Reflexionsschicht, Hot-Melt-Klebefolie und aufextrudierter Dämmschicht vor dem Thermoformen, welches zur Ausbildung des dreidimensional konturierten Hitzeschild durchgeführt wird, einem Kalandrierschritt unterworfen. Dieser Kalandrierschritt wird dergestalt ausgeführt, dass eine Aktivierung der Klebefolie eintritt, so dass sich eine flächige mechanische Verbindung zwischen der Wärmereflexionsschicht und der Dämmschicht ausbildet.
Bezüglich bevorzugter Inhaltsstoffe der Dämmschicht sowie deren vorteilhafte Gewichtsanteile wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild verwiesen ebenso wie in Bezug auf vorteilhafte Ausgestaltungen der als Wärmereflexionsschicht verwendeten Metallfolie wie einer möglichen Mikroperforierung bzw. einer möglichen Kalottenprägung.
Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in Bezug auf die Ausbildung der akustisch wirksamen Dämmschicht so ausgeführt, dass das Flächengewicht des hergestellten Materialverbunds und damit auch des als Endprodukt erhaltenen Hitzeschilds zwischen 2 und 6 kg/qm beträgt, bevorzugt zwischen 3,5 und 5 kg/qm.
Weiterhin wird das Verfahren vorteilhaft so ausgeführt, dass die sich ergebende Dicke des als Endprodukt erhaltenen Hitzeschilds zwischen typisch 2,5 und 5 mm beträgt. Insbesondere kann der dem Thermoformprozess zugeführte Materialverbund bestehend aus metallischer Wärmereflexionsschicht, Hot-Melt-Klebefolie sowie akustischer Dämmschicht in diesen Dickenbereich liegen.
Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele für Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Hitzeschilde diskutiert. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern beispielhaft zu verstehen und sollen den Fachmann in die Lage versetzen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Ausführungsbeispiele werden erläutert anhand der anliegenden Zeichnung. In dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung von Zuschnitten eines Materialverbunds bestehend aus akustischer Dämmschicht, Hot-Melt-Klebefolie und Wärmereflexionsschicht,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung von Zuschnitten eines Materialverbunds bestehend aus akustischer Dämmschicht, Hot-Melt-Klebefolie und Wärmereflexionsschicht,
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung von Zuschnitten eines Materialverbunds bestehend aus akustischer Dämmschicht, Hot-Melt-Klebefolie und Wärmereflexionsschicht,
4 und 5 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren
6 eine schematische Schnittdarstellung eines nach dem Verfahren gemäß der 4 und 5 hergestellten Werkstücks, und
7 eine schematische Schnittdarstellung eines nach dem Verfahren gemäß der 4 und 5 hergestellten erfindungsgemäßen Hitzeschilds.
1 zeigt ein erstes Verfahren zur Herstellung eines flächenhaften Materialverbunds 16 bestehend aus einer Wärmereflexionsschicht 10, die gebildet wird von einer Aluminiumfolie mit einer Stärke von 100 Mikrometern, einer wärmeaktivierbaren Hot-Melt-Klebefolie 12 aus einem thermoplastischen Polyolefin, deren Dicke im Bereich von etwa 25 Mikrometern liegt, und einer akustischen Dämmschicht 14.
Das Material der Hot-Melt-Klebefolie 12 zeigt dabei nach dem Wärmeaktivieren die Klebefolie 12 einen um mindestens 30°C erhöhten Schmelzpunkt auf, was auf eine Polykondensationsreaktion im Material der Klebefolie 12 zurückgeführt wird.
Die akustische Dämmschicht 14 umfasst zumindest die Bestandteile EPDM mit einem Gewichtsanteil von 20 bis 30%, einem mineralischen Füllstoff wie z. B. Bariumsulfat mit einem Gewichtsanteil von 70 bis 80° sowie PE-HD mit einem Gewichtsanteil zwischen 3,5 und 6,5%. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Füllstoffgehalt 71 Gew.-% und der PE-HD Gewichtsanteil 5%. Die Dichte der akustischen Dämmschicht 14 beträgt zwischen 1,9 und 2 g/ccm, im gezeigten Beispiel 1,93 g/ccm. Trotz des hohen Gewichtsanteils des mineralischen Füllstoffs weist die akustische Dämmschicht 14 gummielastische Eigenschaften auf.
Die Dämmschicht 14 wird hergestellt, indem das Ausgangsmaterial mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung in granularer Form 18 auf ein Förderband 20 aufgestreut wird. Nachfolgend wird es in einer Heizstation 22 erhitzt und nachfolgend von zwei beheizten Walzen 24 auf die gewünschte Stärke komprimiert. In der Heizstation 22 wird eine Temperatur des Granulats 18 eingestellt, die oberhalb der Schmelztemperatur des gummielastischen Materials liegt, die im diskutierten Ausführungsbeispiel bei etwa 130°C liegt.
Das Komprimieren des über den Schmelzpunkt hinaus erhitzten granularen Materials 18 führt in einer Art Sinterprozess zur Ausbildung einer zusammenhängenden Bahn 14 aus EPDM mit definierter Stärke, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auf 4 mm eingestellt wird. Die Partikel des Granulatmaterials zeigen aufgrund des Sinterprozesses eine gute Anhaftung aneinander.
Nachfolgend wird der noch heißen Bahn 14 aus EPDM in einer Laminierstation 26 die vorstehend erwähnte Hot-Melt-Klebefolie 12 sowie die ebenfalls vorstehend erwähnte Aluminiumfolie 14 zugeführt. In der Laminierstation 26 wird der zusammengeführte Materialverbund mittels einer Walze druckbeaufschlagt, so dass sich ein aneinander anhaftender Materialverbund 16 bestehend aus akustischer Dämmschicht 14, Hot-Melt-Klebefolie 12 und Wärmereflexionsschicht 10 bestehend aus Aluminiumfolie ausbildet. In der Laminierstation 26 wird davon Gebrauch gemacht, dass sich die akustische Dämmschicht 14 noch auf einer Temperatur befindet, die nahe an der Aktivierungstemperatur der Hot-Melt-Klebefolie 12 liegt. Auf diese Weise ergibt sich eine erste Anhaftung der gummielastischen akustischen Dämmschicht 14 an der Aluminiumfolie 10 aufgrund eines teilweisen Aufschmelzens der Hot-Melt-Klebefolie 12. Dieser Prozess kann ggf. noch unterstützt werden durch Beheizen der Andruckwalze der Laminierstation 26.
Von dem so hergestellten Materialverbund 16 werden nachfolgend in einer Schnittstation passende Zuschnitte abgelängt, die dann einer Weiterverarbeitung in einem Thermoformprozess zugeführt werden können.
In einer alternativen Verfahrensführung, die in 2 dargestellt ist, liegt die Dämmschicht 14 bereits als auf einer Rolle befindliches bandförmiges Material vor, welches die gewünschte Dicke & Dichte aufweist. Das bandförmige gummielastische Material 14 wird dann gemeinsam mit einer Hot-Melt-Klebefolie 12 mit den vorstehend diskutierten Eigenschaften sowie einer Aluminiumfolie 10 mit den vorstehend diskutierten Eigenschaften einer Laminierstation 26 zugeführt. In dieser wird der Materialverbund 26 mittels einer beheizten Andruckwalze 24 soweit erhitzt, dass sich zumindest eine teilweise Aktivierung der Hot-Melt-Klebefolie 12 ergibt, dergestalt, dass sich eine ausreichende Anhaftung der gummielastischen akustischen Dämmschicht 14 an der Aluminiumfolie 10 ergibt. Auch hier werden nachfolgend in einer Schnittstation 28 geeignete Zuschnitte 30 von dem bandförmigen Materialverbund 16 abgelängt, die dann einer Weiterverarbeitung in einem Thermoformprozess zugeführt werden.
3 zeigt schließlich ein weiteres Herstellungsverfahren für die gummielastische Dämmschicht 14 sowie den Materialverbund 16 bestehend aus der Dämmschicht 14, der Hot-Melt-Klebefolie 12 sowie der aus einer Aluminiumfolie bestehende Wärmereflexionsschicht 10. Die als Metallfolie ausgebildete Wärmereflexionsschicht 10 ist auf einer Rolle aufgespult und wird in einer hierzu geeigneten Station mit der ebenfalls auf einer Rolle aufgespulten Hot-Melt-Klebefolie 12 zusammengeführt.
Nachfolgend wird das gummielastische Material der akustischen Dämmschicht 14 mittels eines Schneckenextruders 32 bandförmig auf die Oberfläche des Materialverbunds bestehend aus Aluminiumfolie 10 und Hot-Melt-Klebefolie 12 aufextrudiert. Da das gummielastische Material der Dämmschicht 14 zum Extrudieren bis über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt sein muss, kann die Temperatur der auf dem Materialverbund bestehend aus Aluminiumfolie 10 und Hot-Melt-Klebefolie 12 aufextrudierten Dämmschicht so eingestellt werden, dass sich zumindest eine Teilaktivierung der Hot-Melt-Klebeschicht 12 ergibt. Hieraus resultiert eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Anhaftung der Wärmereflexionsfolie 10 an der akustischen Dämmschicht 14. Ist der so hergestellte Materialverbund 16 ausreichend abgekühlt, so werden wiederum in einer Schnittstation 28 passende Zuschnitte 30 für eine Weiterverarbeitung abgelängt.
Die abgelängten Zuschnitte 30 des Materialverbunds 16 bestehend aus Wärmereflexionsschicht 10, Hot-Melt-Klebefolie 12 und akustischer Dämmschicht 14 werden nachfolgend einem Thermoformprozess zugeführt, der schematisch anhand der 4 bis 6 erläutert wird.
Der Thermoformprozess wird mittels eines Formwerkzeugs 34 durchgeführt, dessen zwei Formhälften 36 beheizt ausgeführt sind. Die Werkzeugtemperatur wird für den Thermoformprozess auf etwa 180°C eingestellt. Die abgelängten Zuschnitte 30 des Materialverbunds 16 werden in die geöffnete Kavität des Formwerkzeugs 34 eingelegt (siehe 4) woraufhin das Formwerkzeug 34 geschlossen wird, wie in 5 dargestellt. Das Formwerkzeug 34 wird mit einer geeigneten Schließkraft beaufschlagt und über einen geeigneten Zeitraum geschlossen gehalten, der von typisch zwischen 20 und 200 Sekunden beträgt.
Mit 180°C ist die Temperatur des Formwerkzeugs 34 deutlich höher eingestellt als der Schmelzpunkt der akustischen Dämmschicht 14 aus EPDM. Dies hat zur Folge, dass die Dämmschicht 14 im geschlossenen Formwerkzeug 34 zumindest teilweise aufschmilzt und der vom Formwerkzeug 34 aufgeprägten dreidimensionalen Kontur folgt. Zugleich reagiert im geschlossenen Formwerkzeug 34 auch die Hot-Melt-Klebefolie 12 endgültig aus. Dies hat zur Folge, dass auch die im Formwerkzeug 34 herrschenden hohen Temperaturen nicht mehr zu einer vollständigen Verflüssigung der Hot-Melt-Klebefolie 12 führen, so dass sich auch im geschlossenen Formwerkzeug eine ausreichende Anhaftung von Wärmereflexionsschicht 10 und Dämmschicht 14 ergibt. Ein Zerfallen des Materialverbunds 16 im Formwerkzeug 34 kann auf diese Weise sicher vermieden werden kann.
Nachfolgend wird das Formwerkzeug 34 geöffnet (nicht dargestellt) und das nunmehr mit einer dreidimensionalen Konturierung versehene Werkstück 38 nach kurzer Abkühlung aus dem Formwerkzeug 34 entnommen. Abschließend wird das dreidimensional konturierte Werkstück, welches in 6 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt ist, einer Zuschnittstation zugeführt (nicht dargestellt), in der ein randseitiger Zuschnitt vorgenommen wird. Ggf. werden nachfolgend oder auch parallel noch Stanzungen 40 vorgenommen, z. B. um Montageöffnungen in dem damit fertiggestellten Hitzeschild 1 auszubilden, welches in 7 ebenfalls in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt ist.
In einer fortgeschrittenen Verfahrensführung ist vorgesehen, das Formwerkzeug 34 zusätzlich mit Schneid- und Stanzwerkzeugen zu versehen, um parallel zum Thermoformprozess den Zuschnitt des hergestellten Werkstücks 38 sowie die Einbringung gewünschter Stanzungen 40 zu realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Hitzeschild
10: Wärmereflexionsschicht
12: Hot-Melt-Klebefolie
14: Dämmschicht
16: Materialverbund
18: granulare Partikel
20: Förderband
22: Heizstation
24: Walze
26: Laminierstation
28: Schnittstation
30: Zuschnitt
32: Schneckenextruder
34: Formwerkzeug
36: Formhälften
38: Werkstück
40: Stanzung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0881423 A1 [0003]
WO 2005/061280 A1 [0004]

Claims

Dreidimensional konturierter, akustisch wirksamer Hitzeschild (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: a) eine Wärmereflexionsschicht (10) aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium, b) einer akustischen Dämmschicht (14) aus einem thermoformbaren, gummielastischen sowie thermoplastischen Werkstoff mit einer Dichte zwischen 1 g/ccm und 5 g/ccm, bevorzugt zwischen 1,5 g/ccm und 3 g/ccm, und c) eine Hot-Melt-Klebefolie (12) aus einem polymeren Werkstoff wie einem Polyolefin oder LD-PE, wobei die Klebefolie (12) zwischen Wärmereflexionsschicht (10) und Dämmschicht (14) angeordnet ist und eine flächige mechanische Verbindung zwischen der Wärmereflexionsschicht (10) und der Dämmschicht (14) ausbildet.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) den thermoformbaren, gummielastischen, thermoplastischen Werkstoff in Form eines verdichteten Granulats umfasst.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hot-Melt-Klebefolie (12) wärmeaktivierbar ist und nach dem Wärmeaktivieren einen um mindestens 30°C, bevorzugt um mindestens 50°C erhöhten Schmelzpunkt aufweist.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hot-Melt-Klebefolie (12) wärmeaktivierbar ist und nach dem Wärmeaktivieren zumindest teilweise duroplastische Eigenschaften aufweist.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hot-Melt-Klebefolie (12) bei einer Temperatur oberhalb ihres Aktivierungstemperatur aufschmilzt, aber auch im geschmolzenen Zustand eine Adhäsion zwischen Wärmereflexionsschicht (10) und Dämmschicht (14) vermittelt.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) eine Schmelztemperatur aufweist, die vergleichbar ist mit der Aktivierungstemperatur der Hot-Melt-Klebefolie.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) EPDM umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 20% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 25% und 35%.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) einen mineralischen Füllstoff umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 55% und 85%, besonders bevorzugt zwischen 65% und 75%.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) HD-PE umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 2% und 10%, besonders bevorzugt zwischen 3,5% und 6,5%.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmereflexionsschicht (10) eine Metallfolie umfasst, deren Dicke zwischen 50 und 250 Mikrometern beträgt, bevorzugt zwischen 75 und 125 Mikrometern.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmereflexionsschicht (10) mikroperforiert ist oder eine Kalottenprägung aufweist.
Hitzeschild (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengewicht des flächenhaften Materialverbunds (16) bestehend aus Wärmereflexionsschicht 10, Hot-Melt-Klebefolie (12) und Dämmschicht (14) zwischen 2 und 6 kg/qm beträgt, bevorzugt zwischen 3,5 und 5 kg/qm.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional konturierten, akustisch wirksamen Hitzeschilds (1) für ein Kraftfahrzeug, mit den folgenden Verfahrensschritten a) Bereitstellen eines flächenhaften Materialverbunds (16) aus i) einer Wärmereflexionsschicht (10) aus einem metallischen Werkstoff wie Aluminium, ii) einer wärmeaktivierbaren Hot-Melt-Klebefolie (12) aus einem polymeren Werkstoff wie einem Polyolefin oder LD-PE, und iii) einer akustischen Dämmschicht (14) aus einem thermoformbaren, gummielastischen, thermoplastischen Werkstoff mit einer Dichte zwischen 1 g/ccm und 5 g/ccm, bevorzugt zwischen 1,5 g/ccm und 3 g/ccm, wobei die Klebefolie zwischen Wärmereflexionsschicht (10) und Dämmschicht (14) angeordnet ist, b) Thermoformen des flächenhaften Materialverbunds in einem Thermoformwerkzeug (34), bei dem zumindest eine Formhälfte (36) eine Formwerkzeugtemperatur aufweist, die über der Aktivierungstemperatur der wärmeaktivierbaren Klebefolie (12) sowie über der Schmelztemperatur des gummielastischen Materials der Dämmschicht (14) liegt, zur Ausbildung eines dreidimensional konturierten Hitzeschilds (1).
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) ausgebildet wird durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen des gummielastischen Werkstoffs in Form eines Granulats (18), b) Aufstreuen des Granulats (18) auf ein Förderband (20), c) Verdichten und Erhitzen des Granulats (18) über den Schmelzpunkt des gummielastischen Werkstoffs hinaus zur Einstellung der gewünschten Dichte und Dicke der Dämmschicht (14) sowie zur Ausbildung der Dämmschicht (14).
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt c) die Wärmereflexionsschicht (10) sowie die Hot-Melt-Klebefolie (12) dem Förderband (20) zugeführt werden, dergestalt dass auch die Wärmereflexionsschicht (10) sowie die Hot-Melt-Klebefolie (12) Verfahrensschritt c) unterzogen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) die Temperatur des erhitzten Granulats (18) höher ist als die Aktivierungstemperatur der Hot-Melt-Klebefolie (12).
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) mittels Extrusion hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) auf die Hot-Melt-Klebefolie (12), bevorzugt auf einen flächenhaften Materialverbund bestehend aus Wärmereflexionsschicht (10) und Hot-Melt-Klebefolie (12) aufextrudiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund (16) vor dem Thermoformen kalandriert wird, dergestalt dass eine zumindest teilweise Aktivierung der Klebefolie (12) eintritt, so dass sich eine flächige mechanische Verbindung zwischen der Wärmereflexionsschicht (10) und der Dämmschicht (14) ausbildet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebefolie (12) nach dem Wärmeaktivieren einen um mindestens 30°C, bevorzugt um mindestens 50°C erhöhten Schmelzpunkt aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebefolie (12) nach dem Wärmeaktivieren zumindest teilweise duroplastische Eigenschaften aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebefolie (12) bei einer Temperatur oberhalb ihres Aktivierungstemperatur aufschmilzt, aber auch im geschmolzenen Zustand eine Adhäsion zwischen Wärmereflexionsschicht (10) und Dämmschicht (14) vermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) eine Schmelztemperatur aufweist, und die Formwerkzeugtemperatur höher ist als die Schmelztemperatur, insbesondere mindestens 10°C, bevorzugt mindestens 20°C und besonders bevorzugt mindestens 30°C höher ist als die Schmelztemperatur.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) EPDM umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 20% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 25% und 35%.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) einen mineralischen Füllstoff umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 55% und 85%, besonders bevorzugt zwischen 65% und 75%.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmschicht (14) HD-PE umfasst, bevorzugt in einem Gewichtsanteil zwischen 2% und 10%, besonders bevorzugt zwischen 3,5% und 6,5%.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmereflexionsschicht (10) eine Metallfolie umfasst, deren Dicke zwischen 50 und 250 Mikrometern beträgt, bevorzugt zwischen 75 und 125 Mikrometern.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmereflexionsschicht (10) mikroperforiert ist oder eine Kalottenprägung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengewicht des flächenhaften Materialverbunds (16) zwischen 2 und 6 kg/qm beträgt, bevorzugt zwischen 3,5 und 5 kg/qm.