DE102015219453A1

DE102015219453A1 - Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Hohlprofils

Info

Publication number: DE102015219453A1
Application number: DE102015219453.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Miadowitz; Florian Spirkl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils zur Verwendung bei Fahrzeug- und Karosseriekonstruktionen mit den folgenden Schritten: Herstellen eines schaumkernlosen faserverstärkten Kunststoffhohlprofils (1); Einbringen einer oder mehrere Öffnungen (2) in das Kunststoffhohlprofil (1) an denjenigen Stellen (3), an denen eine mechanischer Verstärkung des Hohlprofil (1) erfolgen soll; Einbringen eines viskosen expandierbaren Schaums (4) durch die Öffnung(en) (2) hindurch und Expandieren sowie Aushärten des Schaums (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils zur Verwendung bei Fahrzeug- und Karosseriekonstruktionen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt im Fahrzeugbau u. a. für einen gewichtsgünstigen Aufbau Hohlprofile aus Aluminium oder Kunststoff zu verwenden, wobei Aluminium-Strangpressprofile mit verschiedenen Querschnitten, wie Einkammer-Hohlprofile oder komplexen Mehrkammerprofile zum Einsatz kommen. Diese Mehrkammerprofile dienen der Erhöhung der Steifigkeit und müssen in vielen Fällen auch Crash-Anforderungen erfüllen. Die Stege solcher komplizierten Aluminium-Mehrkammerprofile verlaufen aufgrund der fertigungstechnischen Möglichkeiten in Profilrichtung über die gesamte Länge des Profils konstant durch.
Ferner gibt es in den letzten Jahren eine Tendenz zu leichten faserverstärkten Kunststoffprofilen, welche auch bei der Karosseriekonstruktion Anwendung finden. Die DE 2108936 C3 beschreibt z. B. ein Verfahren zum Herstellen von Kunststoff-Halbzeugen mit Schaumkern durch kontinuierliches Strangpressen von thermoplastischem Kunststoff in einer Schneckenstrangpresse.
Zur Erzielung und Erfüllung von Crash-Anforderungen werden aber im Fahrzeugbereich häufig nur lokale Versteifungen benötigt und werden Profile daher insgesamt überdimensioniert, wenn lokale Versteifungen nicht oder nur unter erschwerten Verfahrensschritten in einem Hohlprofil einbringbar sind.
Aus der DE 199 04 630 A1 ist zum Beispiel ein Hohlprofil für Fahrzeuge bekannt, in dessen Hohlkammer Versteifungselemente eingesetzt werden, diebei rechteckförmigem Querschnitt des Hohlprofils sich stabförmig diagonal zwischen zwei Eckbereichen des Kammerquerschnittes erstrecken und mittels eines expandierenden Klebstoffes in einer gewünschten Position an der Hohlkammerinnenwand fixiert werden. Durch den nach dem Einführen des Versteifungselementes expandierenden Klebstoff wird dieses Versteifungselement in dem Hohlprofil verspannt, wodurch gegenüber einer üblichen Klebung verhindert wird, dass sich die Versteifungselemente ablösen könnten, mit der Folge des Auftretens eines unerwünschten Klapperns.
Ferner ist aus der EP 1 889 776 A1 ein Verfahren zum Verstärken einer offenen Hohlprofilstruktur für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem stabförmige und/oder plattenförmige Versteifungselemente zu Versteifungsprofilen zusammengesetzt werden und an vorbestimmten Fixierpunkten auf dem Innenwandbereich der offenen Hohlprofilstruktur mit derselben verbunden werden.
Aktuell werden Hohlräume in Profilen, welche in Fahrzeugen Einsatz finden, zum Beispiel mit Akustikschaum lokal ausgeschäumt. Dies kann durch Injektion mittels eines Mischkopfs oder auch durch schaumbare Körper, welche in das Profil eingebracht und aktiviert werden müssen, realisiert werden.
Um den Schaum lokal zu fixieren, können ferner Abschottungen in das Profil eingebracht werden, um zu verhindern dass sich der Schaum undefiniert ausbreitet. Werden keine Abschottungen verwendet, entsteht in der Regel eine unerwünschte Bauchung der Schaumfront bzw. ein durch die Schwerkraft erzeugter, voreilender, nicht verwendbarer Teil des Schaums, welcher jedoch keinerlei technische Funktion im Bauteil erfüllt und lediglich das Gewicht des Bauteiles erhöht.
Im Bereich der Hohlbauteilherstellung von Profilen aus faserverstärkten Kunststoffen werden aktuell schaumbare Körper ausschließlich als vollständiger Kern, somit als Stützkörper für die Hohlbauteilherstellung verwendet.
Anschließend erfolgt die Faseraufbringung auf den Stützkern z. B. mittels Umflechttechnik oder unter Verwendung von Gelegen oder durch andere bekannte Verfahren. Nach diesem Prozess erfolgt eine Infiltration von Harz und anschließend die Aushärtung mit dem RTM-Verfahren. Das so erzielte Bauteil und es entsteht somit ein Bauteil mit Schaumkern.
Ein Verfahren zum Beflechten eines Hartschaumkernes mit einer aus Hochleistungsfasern bestehenden Flechtstruktur mit Bereichen mit einer unterschiedlichen Lagenanzahl beschreibt zum Beispiel die Druckschrift DE 102 59 539 A1 . Aus der DE 103 28 045 A1 wird ferner bekannt, beim Herstellen eines geschäumten Fahrzeugteiles, zum Beispiel einer Fahrzeuginnenverkleidung, ein metallisches Einlegerteil im Schäumwerkzeug zu verwenden
Nachteilig ist bei der Herstellung der Profile mit Schaumkern mittels eines Resin-Transfer-Molding Prozesses der Umstand, dass das erhaltene Profil stark auf die Eigenschaften des Kerns eingeschränkt wird. Kerne mit leichterer Grammatur können nicht den für schnelle Zykluszeiten im Herstellungsprozess erforderlichen Betriebsdruck standhalten, da der Schaum hierdurch zerstört würde. Insofern gibt es alternative Bemühungen konstruktive Profilbauteile mit innenbedruckten Hohlkernen herzustellen. Dies lässt sich wiederum nur prozesstechnisch ohne Schaumkern realisieren.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass beim Injizieren des Schaums der Schaum zu Steigen beginnt. Da der Schaum jedoch meist undefiniert verläuft, kann kein reproduzierbares Ergebnis erhalten werden und ist der Prozess insgesamt unsicher. Des Weiteren wirkt es sich negativ auf die Schaumgüte und auch auf die Ausprägung des Schaums in Form von Schaumfrontabfall oder Bauchungen aus. Der Abfall der Schaumfront oder die Bauchung sind funktionell nicht von Nutzen und verursachen zusätzliche Kosten und Gewicht, die es zu vermeiden gilt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein kostengünstiges und prozesssicheres Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils zur Verwendung bei Fahrzeug- und Karosseriekonstruktionen bereit zu stellen, bei dem insbesondere ein vergleichsweise niedriges Profilgewicht bei hoher Stabilität erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die erforderliche Profilform mit einem bekannten, alternativen Verfahren hergestellt werden und anders als im Stand der Technik erst nach der Profilherstellung mit Strukturschaum der gewünschten Festigkeit lokal oder bei Bedarf auch vollständig über definierte Injektionsöffnungen ausgeschäumt werden.
Wird der Strukturschaum nur lokal benötigt kann er erfindungsgemäß z. B. durch ein Loch in der Profilwand lokal eingebracht werden.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils zur Verwendung bei Fahrzeug- und Karosseriekonstruktionen mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

a. Herstellen eines schaumkernlosen faserverstärkten Kunststoffhohlprofils oder Hohlprofils;
b. Einbringen einer oder mehrere Öffnungen in das Kunststoffhohlprofil an denjenigen Stellen, an denen eine mechanischer Verstärkung des Hohlprofil erfolgen soll;
c. Einbringen eines viskosen expandierbaren Schaums durch die Öffnung(en) hindurch und
d. Expandieren und Aushärten des Schaums.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Hohlprofil lokal, teilweise oder vollständig mit einem Schaum ausgefüllt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Herstellung des Kunststoffhohlprofils mittels eines Prozesses mit innenbedrucktem Kern.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein der Schaum verwendet, der ein hochviskoser Strukturschaum, vorzugsweise ein Polyurethanschaum ist.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Schaum ein schnell expandierender Schaum ist, der seine Expansion nach einer Startzeit von 5 bis 9 sec. innerhalb von 20 bis 40 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 25 bis 30 Sekunden im nicht ausgehärteten Zustand entfaltet hat. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Schaum nicht undefiniert verläuft, sondern in den bestimmungsgemäßen Hohlraum sehr schnell expandiert und so eine hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit erzielbar ist.
Weiter bevorzugt ist es, vor dem Einbringen des Schaums eine oder mehrere Begrenzungselemente oder Schwämme zur lokalen Begrenzung der Schaumexpansion des für die Schaumexpansion zur Verfügung stehenden Hohlprofilinnenraumes an den jeweils gewünschten bzw. erforderlichen Positionen in das Kunststoffhohlprofil eingebracht werden. So können die Begrenzungselemente als Einleger mit einer Verstärkungsfaser ausgebildet sein, welche an der Innenwand des Kunststoffhohlprofils, vorzugsweise innen umlaufend anliegen und eine Art Sperre für den expandierenden Schaum darstellen.
Weiter bevorzugt ist es, wenn dass die Begrenzungselemente infolge der Expansion des viskosen Schaumes zumindest teilweise mit dem Schaum durchsetzt oder getränkt werden, bevor der Schaum aushärtet. Das Schaummaterial fließt daher bis zum jeweiligen Begrenzungselement oder Schwamm, welcher zuvor an der Stelle der lokal benötigten Versteifung eingebracht wurde. Der Schwamm füllt sich anschließend mit dem Medium und hält dieses aufgrund der schwammartigen Struktur in sich gebunden. Nach einer definierten Zeit wird die Reaktion ausgelöst und der Schaum startet mit der Vernetzung. Der Schaum expandiert exakt an der gewünschten Position und versteift das Bauteil.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Einleger ein Polyamidfaservlies verwendet. Es können alternativ auch andere Fasern oder Faservliese als Verstärkungselemente verwendet werden. Durch die Schaumverstärkung können die Hohlbauteile mit geringeren Wandstärken und somit auch geringerem Fasereinsatz versehen werden.
Das Einbringen der Begrenzungselemente oder Schwämmen beim lokalen Schäumen bringt folgende Vorteile mit sich:

– Vorteile bei der Positionierung des Schaums, da die injizierte Schaummaterialien durch den Schwamm nicht verlaufen können.
– Bessere Schaumeigenschaften durch die im Begrenzungselement oder Schwamm integrierten Verstärkungsfasern.
– Bessere Schaumqualität da der Schaum mit einem anderen Einbringverhalten ins Profil eingetragen werden kann dadurch Blasen oder Hohlräume verhindert werden können. Hierdurch wird eine homogenere Schaumstruktur erzeugt.
– Bessere Haftung am Profil bzw. Laminat durch die im Schwamm liegenden Fasern.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 eine schematische Schnittansicht durch ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 und 2 beispielhaft beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 wird eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel durch ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil 1 gezeigt.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils wurde zunächst ein solches Kunststoffhohlprofil 1 gefertigt und wurde alsdann die Öffnung 2 in das Kunststoffhohlprofil 1 an derjenigen Stelle 3 eingebracht, an der eine mechanische Verstärkung des Hohlprofils 1 erfolgen soll.
In der oberen Ansicht der 1 ist ein Zustand schematisch gezeigt, nachdem eine definierte Schaummenge des viskosen expandierbaren Schaums 4 durch die Öffnung 2 in das Kunststoffhohlprofil 1 injiziert wurde. Danach expandiert der Schaum zu einem wie in der mittleren Ansicht der 1 gezeigten Zustand bis hin zu dem in der unteren Ansicht der 1 gezeigten Zustand.
Das Hohlprofil 1 wurde dadurch nur lokal mit dem Schaum 4 ausgefüllt. Der Schaum 4 ist in dem vorliegenden Beispiel ein schnell expandierender Schaum, der seine Expansion nach einer Startzeit von 7 Sekunden innerhalb von ca. 20 bis 25 Sekunden bis zu einem Expansionsgrad zwischen 90 % und 100% im nicht ausgehärteten Zustand entfaltet hat, wie dies beispielhaft in der mittleren Ansicht dargestellt wurde.
In der 2 wird eine schematische Schnittansicht durch ein alternatives Ausführungsbeispiel durch ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil 1 gezeigt. Wie zu erkennen ist sind hier vor dem Einbringen des Schaums 4 zwei Einleger als Begrenzungselemente 5a, 5b zur lokalen Begrenzung der Schaumexpansion des für die Schaumexpansion zur Verfügung stehenden Hohlprofilinnenraumes 5 an den gezeigten Positionen in das Kunststoffhohlprofil 1 eingebracht worden. Hierdurch wird die lokale Verstärkungszone des Profils definiert.
Die Einleger sind mit einer Verstärkungsfaser ausgebildet, wobei die Einleger an der Innenwand 6 des Kunststoffhohlprofils Innen umlaufend anliegen und den Hohlprofilinnenraume 5 abdichten. In der unteren Ansicht der 2 ist ersichtlich, wie die Begrenzungselemente 5a, 5b infolge der Expansion des viskosen Schaumes 4 mit dem Schaum 4 durchsetzt bzw getränkt wurden, bevor der Schaum aushärtet.
Im Anschluss daran wird die erzeugte Struktur ausgehärtet.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2108936 C3 [0003]
DE 19904630 A1 [0005]
EP 1889776 A1 [0006]
DE 10259539 A1 [0011]
DE 10328045 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils zur Verwendung bei Fahrzeug- und Karosseriekonstruktionen mit den folgenden Schritten: a. Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils (1); b. Einbringen einer oder mehrere Öffnungen (2) in das Kunststoffhohlprofil (1) an denjenigen Stellen (3), an denen eine mechanischer Verstärkung des Hohlprofil (1) erfolgen soll; c. Einbringen eines viskosen expandierbaren Schaums (4) durch die Öffnung(en) (2) hindurch und d. Expandieren und Aushärten des Schaums (4).
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil lokal, teilweise oder vollständig mit einem Schaum (4) ausgefüllt wird.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Kunststoffhohlprofils mittels eines Prozesses mit von innen mit Druck beaufschlagten Kerns erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum (4) ein hochviskoser Strukturschaum, vorzugsweise ein Polyurethanschaum ist.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum (4) ein schnell expandierender Schaum ist, der seine volle Expansion innerhalb von 25 bis 30 Sekunden, vorzugsweise nach einer Startzeit von 5 bis 9 Sekunden entfaltet hat.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung lokaler Schaumkerne im Hohlprofil (1) vor dem Einbringen des Schaums (4) eine oder mehrere Begrenzungselemente (5a, 5b) zur lokalen Begrenzung der Schaumexpansion des für die Schaumexpansion zur Verfügung stehenden Hohlprofilinnenraumes (5) an den gewünschten Positionen in das Kunststoffhohlprofil (1) eingebracht werden.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (5a, 5b) als Einleger mit einer Verstärkungsfaser ausgebildet sind, welche an der Innenwand (6) des Kunststoffhohlprofils, vorzugsweise innen umlaufend anliegen.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Einleger ein Polyamidfaservlies verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen eines schaumgefüllten Profils nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungselemente (5a, 5b) infolge der Expansion des viskosen Schaumes (4) zumindest teilweise mit dem Schaum (4) durchsetzt oder getränkt werden, bevor der Schaum aushärtet.