DE102015108221A1

DE102015108221A1 - Materialverbund zur Herstellung eines Versteifungselements für den Leichtbau, Verfahren zur Herstellung eines Versteifungselements für den Leichtbau sowie Versteifungselement für den Leichtbau

Info

Publication number: DE102015108221A1
Application number: DE102015108221.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hornich; Christoph Nachbaur
Original assignee: Carcoustics Techconsult GmbH
Current assignee: Carcoustics Techconsult GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01
Also published as: FR3036647A1; CN106192602A; US20160347024A1; HK1231531A1; CN205046418U; DE202015008932U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Materialverbund (1) zur Herstellung eines Versteifungselements (100) für den Leichtbau mittels Thermoformen. Dieser umfasst einen auf Zellulose basierenden Kern (10) aus einer gewelltem Papierbahn (12) oder mit einer Wabenstruktur, sowie einen mit der gewellten Papierbahn (12) oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner (20), der seinerseits eine ebene Papierbahn (14, 22) umfasst. Zwischen der ebenen Papierbahn (22) des Kraftliners (20) und Kern (10) ist eine Kleberschicht (30) angeordnet, die dazu vorgesehen ist, im die ebene Papierbahn (22) des Kraftliners (20) mit dem Kern (10) mechanisch zu verbinden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein basierend auf dem Materialverbund hergestelltes Versteifungselement (100) für den Leichtbau sowie ein hierzu geeignetes Herstellungsverfahren.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Versteifungselement für den Leichtbau, insbesondere für den Fahrzeugbau, welches zur mechanischen Verstärkung und/oder zur Dämpfung der Vibrationsneigung flächiger Bauteile geeignet ist. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Versteifungselements.
Die Firma Uniseal, Inc., Evansville, Indiana, USA, hat ein beispielsweise im Automobilbau angewendetes Verfahren zur Schwingungsdämpfung flächiger Bauteile wie des Dachblechs eines Kraftfahrzeugs entwickelt. Dieses Verfahren beruht auf der Aufbringung einer elastomeren Schwerschicht unmittelbar auf dem zu bedämpfenden Bauteil der Fahrzeugkarosserie. Hierzu wird beispielsweise eine noch flüssige Elastomermasse auf das zu bedämpfende Bauteil aufgetragen, beispielsweise mittels Aufspritzen oder Aufextrudieren. Die aufgebrachte Schicht wird nachfolgend ausgehärtet/vernetzt.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Schwingungsneigung flächiger Bauteile im Automobilbau vermindert werden kann, indem das Bauteil flächig mit einer gewebten Glasfasermatte verklebt wird. Beispielsweise vertreibt die Fa. Dow Automotive (USA) unter der Bezeichnung BETABRACE™ eine entsprechende selbstklebende Glasfasermatte, die speziell zu dieser Verwendung vorgesehen ist. Das entstehende Verbundteil aus flächigem Bauteil, Kleberschicht und Glasfasermatte weist ein deutlich verändertes Schwingungsverhalten sowohl in Bezug auf mögliche Resonanzfrequenzen als auch auf die intrinsische Schwingungsdämpfung auf. Dennoch ist die Wirksamkeit derartiger Versteifungselemente bei Verwendung dünner Gasfasermatten nicht für alle Anwendungsfälle ausreichend. Die Verwendung dickerer Glasfasermatten verbessert zwar die Wirksamkeit des Versteifungselements, hat aber eine ungünstige Erhöhung des Gesamtgewichts des Versteifungselements zur Folge.
Ein ähnliches Konzept verfolgt die Inhaberin der vorliegenden Anmeldung mit den unter der Bezeichnung „CC-Brace“ vertriebenen Versteifungselementen, welche auf einer mit einer druckaktivierbaren Kleberschicht kaschierten Metallfolie basieren. Diese Versteifungselemente werden analog zu den vorgenannten Versteifungselementen BetaBrace^TM der Dow Automotive angewendet. Aber auch die Versteifungselemente des Typs „CC-Brace“ unterliegen den vorgenannten Einschränkungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neuartiges Versteifungselement anzugeben, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet. Aufgabe ist es weiterhin, einen Materialverbund anzugeben, welcher zur Herstellung eines derartigen Versteifungselements geeignet ist sowie ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für ein derartiges Versteifungselement.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Materialverbund gemäß Anspruch 1, ein Versteifungselement gemäß Anspruch 2 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Anspruch 11 gibt eine vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Versteifungselements an.
Ein erfindungsgemäßer Materialverbund ist zur Herstellung eines Versteifungselements für den Leichtbau mittels Thermoformen vorgesehen. Er umfasst einen auf Zellulose basierenden Kern aus einer gewellten Papierbahn oder mit einer Wabenstruktur sowie einen zur mechanischen Verbindung mit der gewellten Papierbahn oder der Wabenstruktur vorgesehenen Kraftliner, der seinerseits eine ebene Papierbahn umfasst. Die ebene Papierbahn des Kraftliners weist typisch ein Flächengewicht von 100g/m², bevorzugt von über 150 g/m² und besonders bevorzugt von über 200 g/m² auf. Erfindungsgemäß ist nun eine zwischen der ebenen Papierbahn des Kraftliners und dem Kern angeordnete, thermisch aktivierbare und duroplastisch aushärtende Kleberschicht vorgesehen, die dazu vorgesehen ist, im aktivierten Zustand die ebene Papierbahn des Kraftliners mit dem Kern, insbesondere der gewellten Papierbahn des Kerns, mechanisch zu verbinden.
Ein erfindungsgemäßer Materialverbund weist besondere Vorteile beim Thermoformen auf. Die thermisch aktivierbare und duroplastisch aushärtende Kleberschicht weist auch im heißen Zustand eine gute mechanische Belastbarkeit auf, so dass ein unter Verwendung des Materialverbunds erzeugtes thermogeformtes Bauteil auch im heißen oder nur wenig abgekühlten Zustand aus dem zum Thermoformen verwendeten Werkzeug entnommen werden kann, ohne seine mittels Thermoformen erzeugte dreidimensionale Kontur zu verlieren. Ein die Taktzeiten verringernder Abkühlschritt, z.B. im geöffneten Formwerkzeug, um auf eine ausreichende Abkühlung des erzeugten Bauteils zu warten, erübrigt sich daher. Darüber hinaus ist das erzeugte Bauteil sehr leicht und kann trotzdem eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Ein dergestalt hergestelltes flächiges Bauteil weist eine sehr hohe Schwingungsresistenz senkrecht zu seiner Fläche auf. Dies gilt insbesondere, wenn der Kern eine gewellte Papierbahn umfasst und sich die Wellenstruktur in einer Ebene erstreckt, die parallel zur ebenen Papierbahn des Kraftliners orientiert ist. Hierzu können die „Berge“ oder „Täler“ der Wellenstruktur mittels der Kleberschicht unmittelbar mit der ebenen Papierbahn des Kraftliners verbunden sein. Aber auch bei anderer Orientierung der gewellten Papierbahn oder auch bei Verwendung eines Kerns, der eine Wabenstruktur umfasst, sind hohe Schwingungsresistenzen quer zur Erstreckungsebene erzielbar.
Ein erfindungsgemäßes Versteifungselement für den Leichtbau, welches unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Materialverbunds beispielsweise mittels eines Thermoformprozesses herstellbar ist, umfasst einen auf Zellulose basierenden Kern aus einer gewelltem Papierbahn oder mit einer Wabenstruktur sowie einem mit der gewellten Papierbahn oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner, der seinerseits eine ebene Papierbahn umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ebene Papierbahn des Kraftliners mittels einer z.B. thermisch ausgehärteten duroplastischen Kleberschicht mechanisch mit dem Kern verbunden ist.
Das Versteifungselement realisiert dabei insbesondere die o.g. Vorteile bezüglich seiner Herstellbarkeit mittels Thermoformen sowie bezüglich Leichtigkeit und Schwingungsresistenz. Es ist daher hervorragend zur Bedämpfung auch größerer, flächenhaft ausgedehnter Bauteile geeignet, die oftmals eine erhöhte Neigung zu Querschwingungen aufweisen. Damit ist es besonders zu einer Verwendung im Karosseriebau geeignet, z.B. zur Aussteifung der Dachfläche eines Kraftfahrzeugs.
Ein erfindungsgemäßes Versteifungselement kann nicht nur eine dauerhafte dreidimensionale Kontur aufweisen, vielmehr kann es auch Bereiche aufweisen, in denen die Materialstärke des Materialverbunds gezielt lokal verringert ist, z.B. in Form eines abdichtenden umlaufenden Rands, der sich aufgrund seiner erhöhten mechanischen Festigkeit auch gut für eine Befestigung des Bauteils z.B. an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs eignet, z.B. an einem Dachblech. Ebenso können in die Fläche des dreidimensional konturierten Versteifungselements gezielt dort lokale Bereiche mit verringerter Materialstärke ausgebildet sein, wo eine erhöhte mechanische Belastbarkeit benötigt wird, z.B. an Montagepunkten, Durchbrüchen zur Durchführung von Leitungen aller Art oder auch zur Ausprägung von Versteifungsrippen z.B. zur Verminderung der Schwingungsneigung des Bauteils selbst.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Kern eines erfindungsgemäßen Materialverbunds oder Versteifungselements zumindest zwei gewellte und eine ebene Papierbahnen, die miteinander zu einer Wellpappe verklebt sind, wobei die ebene Papierbahn zwischen den gewellten Papierbahnen angeordnet ist. Denkbar ist aber auch die Verwendung einer noch höheren Zahl von z.B. drei, vier oder mehr gewellten Papierbahnen, zwischen denen jeweils eine ebene Papierbahn angeordnet ist. Dabei hat es sich unabhängig von der Zahl der vorhandenen gewellten Papierbahnen für eine Verarbeitkeit in einem Thermoformverfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Papierbahnen der Wellpappe mittels thermische beständiger, bevorzugt mittels ausgehärteter duroplastischer Kleberschichten verbunden sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Materialverbunds oder Versteifungselements ist zumindest die ebene Papierbahn des Kraftliners zusätzlich faserverstärkt, z.B. mit Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern und/oder Naturfasern wie z.B. Fasern aus Baumwolle, Flachs, Hanf, Jute, Keraf, Sisal oder Zellstoff. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Zugfestigkeit eines unter Verwendung des Materialverbunds hergestellten Bauteils bzw. des Versteifungselements in seiner Erstreckungsebene. Aber auch die Verwendung eines faserverstärkten Kerns hat sich als vorteilhaft erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung, die sich durch eine nochmals verbesserte Schwingungsresistenz auszeichnet, umfasst die die ebene Papierbahn des Kraftliners im erfindungsgemäßen Materialverbund oder Versteifungselement einen die Flächendichte der Papierbahn erhöhenden Füllstoff. Als besonders geeignet hat sich hier beispielsweise die Verwendung von BaSO₄ erwiesen.
Weiterhin hat es sich beispielsweise zu Dekorzwecken als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kraftliner des erfindungsgemäßen Materialverbunds oder Versteifungselements eine thermoplastische Deckschicht beispielsweise aus Polypropylen, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, aber auch Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, thermoplastischem Polyurethan, Polyacetal, Polyphenylensulfid, Cycloolefincopolymer, thermotropem Polyester und Mischungen davon umfasst. Dabei kann die thermoplastische Deckschicht im Materialverbund auch als separate Schicht ausgebildet sein, die sich in einem Thermoformverfahren mechanisch mit dem Kraftliner verbindet. Dabei ist die thermoplastische Deckschicht im Materialverbund oder Versteifungselement außenliegend angeordnet und bildet so eine Dekoroberfläche aus, die auf diese Weise in optisch ansprechender Weise farbig ausgestaltet und/oder strukturiert werden kann. Hierbei findet über das Anschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs im Thermoformverfahren eine direkte Verbindung zwischen thermoplastischer Deckschicht sowie Kraftliner in der beheizten Presse statt.
Wird eine thermoplastische Deckschicht weiterhin mit einer außenliegenden textilen Schicht z.B. aus einem Vliesstoff kombiniert, so kann die thermoplastische Schicht auch als thermisch aktivierbare Kleberschicht zur Verbindung des in einem Thermoformverfahren ausgebildeten Bauteils mit der textilen Schicht vorgesehen sein. In einem solchen Fall kann die thermoplastische Schicht insbesondere aus einer dünnen thermoplastischen Folie oder auch aus einer z.B. aufgestreute Schicht aus einem Hot-Melt-Klebepulver bestehen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der erfindungsgemäße Materialverbund bzw. das erfindungsgemäße Versteifungselement zwei mit dem Kern mechanisch verbundene Kraftliner, die ihrerseits jeweils eine ebene Papierbahn umfassen, wobei der Kern zwischen den Papierbahnen der Kraftlinern angeordnet und mit diesen jeweils mittels einer thermisch ausgehärteten duroplastischen Kleberschicht verbunden ist. Es wird darauf hingewiesen, dass sich im Fall des Materialverbunds die mechanische Verbindung über die ausgehärtete Kleberschicht ggf. erst in einem aus dem Materialverbund mittels Thermoformen hergestellten Bauteil ausbildet und noch nicht im Materialverbund selbst vorliegt.
Besondere Vorteile bezüglich der praktischen Handhabbarkeit eines erfindungsgemäßen Versteifungselements ergeben sich, wenn das Versteifungselement weiterhin eine druckaktivierbare Kleberschicht aufweist, die z.B. auf der vom Kraftliner abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sein kann. Aber auch eine Anordnung auf der außenliegenden Oberfläche des Kraftliners kann vorteilhaft sein. In diesen Ausgestaltungen kann das Versteifungselement durch einfaches Andrücken des Bauteils an das zu versteifende Bauteil, z.B. die Dachfläche einer Fahrzeugkarosserie, z.B. im Rahmen der Fahrzeugproduktion montiert werden. Aufgrund seines niedrigen Gewichts sind auch großflächige Versteifungselemente problemlos ohne maschinelle Unterstützung durch das Montagepersonal handhabbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Herstellung eines Versteifungselements für den Leichtbau. Es weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte:

1) Bereitstellen eines Materialverbunds mit folgenden Komponenten: a) einem auf Zellulose basierenden Kern aus einer gewelltem Papierbahn oder mit einer Wabenstruktur, b) einem mit der gewellten Papierbahn oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner, der eine ebene Papierbahn umfasst, und c) einer thermisch aushärtbaren und im ausgehärteten Zustand duroplastischen Kleberschicht, die zwischen Kern und Papierbahn angeordnet ist,
2) Einbringen des Materialverbunds in die Kavität eines beheizten Formwerkzeugs, und
3) Thermoformen des Materialverbunds unter thermischer Aushärtung der Kleberschicht, dergestalt dass diese den Kern und den Kraftliner mechanisch miteinander verbindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es insbesondere, z.B. aus einem erfindungsgemäßen Materiaverbund, der ggf. auch einer oder mehreren der vorstehend erläuterten vorteilhaften Weiterbildungen entsprechen kann, ein erfindungsgemäßes Versteifungselement herzustellen, welches ggf. ebenfalls einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen entsprechen kann. Es erlaubt die Realisierung hoher Taktzahlen, da keine weitere Verweildauer des hergestellten thermogeformten Bauteils aufgrund dessen hoher Formstabilität auch im heißen Zustand im Formwerkzeug mehr erforderlich ist. Ggf. kann der heiße thermogeformte Materialverbund in einem weiteren Verfahrensschritt einer Abkühlstation zugeführt werden, in der der thermogeformte Materialverbund so lange verbleibt, bis seine Temperatur auf eine vorbestimmte Solltemperatur abgesunken ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein Zuschnitt des thermogeformten Materialverbunds vorgenommen. Dieser kann insbesondere im Formwerkzeug selbst erfolgen. Hierzu kann das Formwerkzeug geeignete integrierte Schnitt-, Stanz- oder Pinchwerkzeuge aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Verfahrensschritt z.B. die vom Kraftliner abgewandte Oberfläche des thermogeformten Materialverbunds mit einer druckaktivierbaren Kleberschicht versehen, die mit einem abziehbaren Liner abgedeckt sein kann. Es entsteht ein auf einfachste Weise durch Andrücken an das zu bedämpfende Bauteil manuell oder automatisiert anzubringendes Versteifungselement. Ggf. kann die druckaktivierbare Kleberschicht auch auf der außenliegenden Oberfläche des Kraftliners angeordnet werden/sein.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem in die Kavität des Formwerkzeugs eingebrachten Materialverbund nicht nur eine dauerhafte dreidimensionale Kontur verliehen werden, sondern es ist auch möglich, die Materialstärke des Materialverbunds gezielt lokal zu verringern, z.B. um einen abdichtenden umlaufenden Rand zu erzeugen, der sich aufgrund seiner erhöhten mechanischen Festigkeit auch gut für eine Befestigung des Bauteils z.B. an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs eignet, z.B. an einem Dachblech. Ebenso ist es möglich, in die Fläche des dreidimensional konturierten Bauteils lokal Bereiche mit verringerter Materialstärke einzubringen, wo eine erhöhte mechanische Belastbarkeit benötigt wird, z.B. an Montagepunkten, Durchbrüchen zur Durchführung von Leitungen aller Art oder auch zur Ausprägung von Versteifungsrippen z.B. zur Verminderung der Schwingungsneigung des Bauteils selbst.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Materialverbunds, des erfindungsgemäßen Versteifungselements sowie seiner möglichen Verwendung sowie eines zur Herstellung eines vorteilhaften Versteifungselements vorgesehenen Verfahrens ergeben sich aus den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen. Diese sind nicht einschränkend zu verstehen, sondern dienen dem Fachmann zur Verdeutlichung der Erfindung.
Es wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Materialverbunds, Versteifungselement sowie des Herstellungsverfahrens im Rahmen des technisch Sinnvollen miteinander kombiniert werden können, auch über die Grenzen der verschiedenen Anspruchsarten hinweg, ohne dass dies in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung explizit erwähnt sein muss. Gleiches gilt für die Merkmale der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen
1: eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Materialverbund,
2: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Materialverbunds,
3–4: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Versteifungselemente,
5: das nach dem Verfahren gemäß der 3 und 4 hergestellte erfindungsgemäße Versteifungselement,
6: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselements, und
7: eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen weiteren erfindungsgemäßen Materialverbund.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Materialverbund 1, der einen auf Zellulose basierenden Kern 10 umfasst, der aus einer gewellten Papierbahn 12 besteht, die mit einer ebenfalls auf Zellulose basierenden ebenen Papierbahn 14 zu einer Wellpappe verklebt ist. Die Wellenstruktur erstreckt sich dabei in der Ebene der ebenen Papierbahn 14. Die Verklebung von ebener Papierbahn 12 und gewellter Papierbahn 14 ist dergestalt ausgeführt, dass sie beim nachfolgenden Thermoformprozess den Temperaturen im heißen Formwerkzeug wiedersteht. Hierzu hat sich beispielsweise die Verwendung eines duroplastischen Klebers bewährt.
Weiterhin umfasst der Materialverbund 1 einen mit der gewellten Papierbahn 12 mechanisch verbundenen Kraftliner 20, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer ebenen Papierbahn 22 besteht.
Der Kraftliner ist mit einer thermisch aushärtbaren und im ausgehärteten Zustand duroplastischen Kleberschicht 30 beschichtet, die im Materialverbund 1 zwischen Kern 10 und Papierbahn 22 angeordnet ist. Die Kleberschicht 30 kann beispielsweise auf einem thermisch vernetzbaren Polyurethanschaum basieren, der flächig auf die ebene Papierbahn 22 aufgesprüht ist. Die Kleberschicht 30 vermittelt auch im nicht ausgehärteten Zustand eine Anhaftung der ebenen Papierbahn 22 des Kraftliners 20 an der gewellten Papierbahn 12 des Kerns 10.
Die ebene Papierbahn 22 des Kraftliners basiert ebenfalls auf Zellulose und weist ein Flächengewicht von etwa 200 g/Quadratmeter auf. Die Dicke der ebenen Papierbahn 22 beträgt etwa 0,5 mm. Das Zellulosematerial der ebenen Papierbahn 22 ist mit Bariumsulfat versetzt, um bei der angegebenen Materialstärke das angegebene Flächengewicht zu erzielen
Beide ebene Papierbahnen 14, 22 sind mit natürlichen Fasern aus Zellstoff verstärkt.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Materialverbunds 1, dessen Aufbau im Wesentlichen dem des Materialverbunds 1 gemäß 1 entspricht, wobei jedoch der Kern 10 zwei gewellte Papierbahnen 12 und eine ebene Papierbahn 14 umfasst, die miteinander zu einer Wellpappe verklebt sind, wobei die ebene Papierbahn 14 zwischen den gewellten Papierbahnen 12 angeordnet ist. Die gewellten Papierbahnen 12 der Wellpappe sind mit der ebenen Papierbahn 14 mittels thermisch beständiger Kleberschichten 18 verbunden, die z.B. aus einem ausgehärteten duroplastischen Klebstoff auf Polymerbasis bestehen können. Die Verwendung eines derartigen Kerns zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Versteifungselements hat sich in der Praxis besonders bewährt.
Ein zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Materialverbunds 1 geeignetes Verfahren ist in 2 schematisch dargestellt. Von einer Vorratsrolle 24 wird die den Kraftliner 20 ausbildende ebene Papierbahn 22 abgerollt und an einer Sprühdüse 32 vorbeigeführt. Mittels dieser Düse 32 wird ein thermisch vernetzbarer Polyurethanschaum flächig auf die Oberseite der ebenen Papierbahn 22 aufgesprüht. Nachfolgend wird die nunmehr mit einer thermisch duroplastisch aushärtbaren Kleberschicht 30 beschichtete ebene Papierbahn 22 des Kraftliners 20 einer Laminierstation 80 zugeführt, in der der mit der Kleberschicht 30 beschichtete Kraftliner 20 mit dem ebenfalls auf einer Vorratsrolle 16 aufgespulten Kern 10, welcher als Wellpappe gemäß 1 ausgebildet ist, zusammengeführt wird. Dabei wird ein ausreichender Druck auf den entstehenden Materialverbund 1 ausgeübt, so dass sich eine gewisse Anhaftung der ebenen Papierbahn 20 des Kraftliners 20 an der gewellten Papierbahn 12 des Kerns 10 vermittels der thermisch aushärtbaren und im ausgehärteten Zustand duroplastischen Kleberschicht 30 ergibt. Nachfolgend wird der so entstandene Materialverbund 1 einer Schnittstation 90 zugeführt, in der vermittels eines Schnittwerkzeugs 92 zur Weiterverarbeitung geeignete Materialabschnitte des Materialverbunds 1 abgelängt werden.
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Versteifungselemente 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden abgelängte Abschnitte des erfindungsgemäßen Materialverbunds 1 bereitgestellt. Die abgelängten Zuschnitte des Materialverbunds 1 bestehend aus Kraftliner 20, Klebeschicht 30 und Kern 10 werden nachfolgend einem Thermoformprozess zugeführt, der schematisch anhand der 3 bis 4 erläutert wird.
Der in den 3 und 4 schematisch dargestellte Thermoformprozess zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Versteifungselements 100 auf Basis eines Materialverbunds 1 gemäß 1 wird mittels eines Formwerkzeugs 70 durchgeführt, dessen zwei Formhälften 72, 74 beheizt ausgeführt sind. Die Werkzeugtemperatur wird für den Thermoformprozess auf etwa 180° C eingestellt, wobei die Werkzeugtemperatur im Wesentlichen von der Aktivierungstemperatur der Kleberschicht 30 bestimmt wird. Die abgelängten Zuschnitte des Materialverbunds 1 werden in die geöffnete Kavität 76 des Formwerkzeugs 70 eingelegt (siehe 3), worauf das Formwerkzeug 34 geschlossen wird, wie in 4 dargestellt ist. 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. Die Temperatur im Formwerkzeug sowie die Schließzeit des Formwerkzeugs 70 sind so eingestellt, dass die Kleberschicht 30 thermisch aktiviert und duroplastisch aushärtet, wobei sie den Kern 10 mit dem Kraftliner 20 verbindet.
Dies hat insbesondere zur Folge, dass der Materialverbund 1 der vom Formwerkzeug 70 aufgeprägten dreidimensionalen Kontur folgt. Zugleich fixiert die ausreagierte Klebeschicht 30 aufgrund ihrer nunmehr duroplastischen Eigenschaften den formgeprägten Materialverbund 12 in der aufgeprägten Form. Das so entstehende, ggf. mit einer dreidimensionalen Kontur versehene Versteifungselement 100 behält daher auch dann seine aufgeprägte Form, wenn es im heißen Zustand dem Formwerkzeug 70 entnommen wird. Hierdurch ist es möglich, hohe Taktzyklen im Thermoformprozess zu realisieren.
In einer bevorzugten Weiterbildung, die hier jedoch nicht dargestellt ist, sind einzelne oder mehrere außen- oder auch innenliegende Oberflächen des Kerns zusätzlich mit thermisch aushärtbaren, bevorzugt duroplastisch, aushärtenden, Material beschichtet, z.B. einen Melaminharz oder einen Polyurethanschaum. Diese Schichten härten ebenfalls im Thermoformwerkzeug aus und verleihen dem hergestellten Versteifungselement zusätzliche Formstabilität insbesondere im heißen Zustand.
Nachfolgend wird das Formwerkzeug 70 geöffnet (nicht dargestellt) und das nunmehr mit einer dreidimensionalen Kontur versehene, noch heiße Versteifungselement 100 ohne Abkühlung aus dem Formwerkzeug 70 entnommen. Abschließend wird das dreidimensional konturierte Versteifungselement 100, welches in 5 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 vorgenommen, z.B. um Montageöffnungen in dem damit Versteifungselement 100 auszubilden.
In einer fortgeschrittenen Verfahrensführung ist vorgesehen, das Formwerkzeug 70 zusätzlich mit Schneid- und ggf. Stanzwerkzeugen zu versehen, um parallel zum Thermoformprozess einen Zuschnitt des hergestellten Versteifungselements 100 sowie die Einbringung ggf. gewünschter Stanzungen zu realisieren. Dies ist in den 3 und 4 jedoch nicht dargestellt.
Hingegen kann 3 und 4 entnommen werden, dass die Formhälften 72, 74 des Formwerkzeugs 70 mit Verprägekanten 78 versehen sind, die dazu dienen, den in die Kavität 76 eingebrachten Materialverbund 1 randseitig mit einem umlaufenden verprägten Rand 60 zu versehen, in dem die Materialstärke des hergestellten Versteifungselements 100 deutlich reduziert ist. Bevorzugt ist die Materialstärke in diesem Bereich so weit reduziert, dass der Kern 10 im Wesentlichen keine luftgefüllten Kammern mehr aufweist.
6 zeigt schließlich ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselements 100, welches im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Der Aufbau des Versteifungselements 100 gemäß dieses zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem des ersten Ausführungsbeispiels mit dem Unterschied, dass die oben liegende Oberfläche des Versteifungselements 100 mit einer Dekorschicht 50 aus einer Polyethylenfolie mit einer Dicke von 50 Mikrometern beschichtet ist. Diese wird bei der Herstellung des Versteifungselements 100 bevorzugt ebenfalls der Kavität 76 des Formwerkzeugs 70 zugeführt, ggf. durch Abspulen von einer Vorratsrolle (nicht gezeigt). Im geschlossenen Formwerkzeug 70 schmilzt die thermoplastische Dekorschicht 50 auf und verbindet sich mit der angrenzenden Oberfläche des Materialverbunds 1. Durch Variation der Dekorschicht 50 bezüglich Material, Materialstärke, Materialbeschaffenheit, Farbe etc. lassen sich vielfältige Oberflächenstrukturen und -qualitäten realisieren.
Unterseitig ist das Versteifungselement 100 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer druckaktivierbaren Kleberschicht 40 versehen, die mit einem Liner (nicht gezeigt) abgedeckt ist. Das Versteifungselement 100 kann vermittels der Kleberschicht 40 an Ort in Stelle am zu versteifenden Bauteil, z.B. dem Dachblech eines Kfz, durch einfaches mechanisches Andrücken befestigt werden, wobei sich eine flächige mechanische Verbindung zwischen Versteifungselement 100 und zu versteifendem Bauteil ergibt. Die druckaktivierbare Kleberschicht 40 wird bevorzugt am bereits thermogeformten und ausreichend abgekühlten Versteifungselement 100 angebracht.
Bezugszeichenliste

1: Materialverbund
10: Kern
12: gewellte Papierbahn
14: ebene Papierbahn
16: Vorratsrolle Kern
18: thermisch beständige Kleberschicht
20: Kraftliner
22: ebene Papierbahn
24: Vorratsrolle Kraftliner
30: duroplastisch aushärtende Kleberschicht
32: Sprühdüse
40: druckaktivierbare Kleberschicht
50: Dekorschicht
60: verprägter Rand
70: Formwerkzeug
72: obere Formhälfte
74: untere Formhälfte
76: Kavität
78: Verprägekanten
80: Laminierstation
90: Schnittstation
92: Schnittwerkzeug
100: Versteifungselement

Claims

Materialverbund (1) zur Herstellung eines Versteifungselements (100) für den Leichtbau mittels Thermoformen, die folgenden Merkmale aufweisend: a. einen auf Zellulose basierenden Kern (10) aus einer gewelltem Papierbahn (12) oder mit einer Wabenstruktur, b. einem mit der gewellten Papierbahn (12) oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner (20), der eine ebene Papierbahn (14, 22) umfasst, gekennzeichnet durch c. eine zwischen ebener Papierbahn (22) des Kraftliners (20) und Kern (10) angeordnete, thermisch aktivierbare und duroplastisch aushärtende Kleberschicht (30), die dazu vorgesehen ist, im aktivierten Zustand die ebene Papierbahn (22) des Kraftliners (20) mit dem Kern (10) mechanisch zu verbinden.
Versteifungselement (100) für den Leichtbau, die folgenden Merkmale aufweisend: a. einen auf Zellulose basierenden Kern (10) aus einer gewellten Papierbahn (12) oder mit einer Wabenstruktur, b. einem mit der gewellten Papierbahn (12) oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner (20), der eine ebene Papierbahn (14, 22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass c. die ebene Papierbahn (14, 22) des Kraftliners (20) mittels einer z.B. thermisch ausgehärteten duroplastischen Kleberschicht (30) mechanisch mit dem Kern (10) verbunden ist.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) zumindest eine gewellte und eine ebene Papierbahn (12, 14) umfasst, die miteinander zu einer Wellpappe verklebt sind.
Materialverbund (1) oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Papierbahnen (12, 14) der Wellpappe mittels ausgehärteter duroplastischer Kleberschichten verbunden sind.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Papierbahn (22) des Kraftliners (20) faserverstärkt ist.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Papierbahn (22) des Kraftliners (20) einen die Flächendichte der Papierbahn (22) erhöhenden Füllstoff umfasst.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) faserverstärkt ist.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftliner (20) eine thermoplastische Deckschicht umfasst.
Materialverbund (1) gemäß Anspruch 1 oder Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund (1) das Versteifungselement (100) zwei Kraftliner (20) umfasst, die ihrerseits jeweils eine ebene Papierbahn (22) umfassen, wobei der Kern (10) zwischen den Papierbahnen (22) der Kraftlinern (20) angeordnet und mit diesen jeweils mittels einer thermisch aushärtbaren/ausgehärteten duroplastischen Kleberschicht (30) verbindbar/verbunden ist.
Versteifungselement (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der vom Kraftliner (20) abgewandten Seite des Versteifungselements (100) angeordnete druckaktivierbare Kleberschicht (40) aufweist.
Verwendung eines Versteifungselements (100) gemäß Anspruch 2 im Karosseriebau zur Verstärkung und/oder Vibrationsdämpfung flächiger Bauteile.
Verfahren zur Herstellung eines Versteifungselement (100) für den Leichtbau, die folgenden Verfahrensschritte aufweisen: a. Bereitstellen eines Materialverbunds (1) mit folgenden Komponenten: i. einem auf Zellulose basierenden Kern (10) aus einer gewelltem Papierbahn (12) oder mit einer Wabenstruktur, ii. einem mit der gewellten Papierbahn (12) oder der Wabenstruktur mechanisch verbundenen Kraftliner (20), der eine ebene Papierbahn (22) umfasst, iii. einer thermisch aushärtbaren und im ausgehärteten Zustand duroplastischen Kleberschicht (30), die zwischen Kern (10) und Papierbahn (22) des Kraftliners (20) angeordnet ist, b. Einbringen des Materialverbunds (1) in die Kavität eines beheizten Formwerkzeugs (70), c. Thermoformen des Materialverbunds (1) unter thermischer Aushärtung der Kleberschicht (30), dergestalt dass diese den Kern (10) und den Kraftliner (20) mechanisch miteinander verbindet.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt ein Zuschnitt des thermogeformten Materialverbunds (1) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt im Formwerkzeug (70) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt der thermogeformte Materialverbund (1) einer Abkühlstation zugeführt wird, wo der thermogeformte Materialverbund (1) so lange verbleibt, bis seine Temperatur auf eine vorbestimmte Solltemperatur abgesunken ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Materialverbund (1) einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9 entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt die vom Kraftliner (20) abgewandte Oberfläche des Versteifungselements (100) mit einer druckaktivierbaren Kleberschicht (40) versehen wird.