DE102016203444A1 - Schaumstoffelement sowie Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelementes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelements (2), das aus einem Thermoplast-Partikelschaum (7) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist. Erfindungsgemäß wird in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug (1) bereitgestellt, bei dem die Verstärkungsfasern (5) in einem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial (3) eingebettet sind, und wird in einem Aufschäumschritt das Faserhalbzeug (1) mit dem Thermoplast-Partikelschaum (7) umschäumt, und zwar unter Bildung des Schaumstoffelements (2).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelementes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein solches Schaumstoffelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
- Bauteile aus einem Thermoplast-Partikelschaumstoff, insbesondere auf Polypropylen-Basis, sind sehr robust sowie von hoher Festigkeit und unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen. Solche Bauteile finden speziell im Automobilinnenbereich vielfach Anwendung. Zur lokalen Steigerung der mechanischen Eigenschaften kann in einem solchen Bauteil ein Draht- oder anderer Metalleinleger integriert sein. Die Materialpaarung aus Metall und Thermoplast-Schaumstoffmaterial führt jedoch im Herstellungsprozess zu Problemen, und zwar zum Beispiel im Herstellungsprozess bei der lagerichtigen Anordnung des Metalleinlegers in der Werkzeugkavität einer Schäumungsanlage, in der die Ausgangskomponente des thermoplastischen Partikelschaumstoffes unter Druck und Wärme aufgeschäumt wird. Zudem kann die obige Materialpaarung beim späteren Einsatz des Bauteils zu einem störenden Quietschen zwischen den Materialien führen.
- Um derartige Probleme zu vermeiden, ist aus der
WO 2008/141816 A1 - Bei der Herstellung des obigen, aus der
WO 2008/141816 A1 - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaumstoffelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumelementes bereitzustellen, bei dem in fertigungstechnisch einfacher Weise die zu erzielenden mechanischen Festigkeitswerte im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert werden können.
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
- Gemäß dem kennzeichnenden Teil der Patentanspruches 1 wird beim Herstellungsprozess in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug bereitgestellt, das nicht nur aus Verstärkungsfasern aufgebaut ist, sondern in dem vielmehr die Verstärkungsfasern in einem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial eingebettet sind. Das so gebildete Faserhalbzeug wird anschließend in einem Aufschäumschritt in die Werkzeugkavität einer Schäumungsanlage lagerichtig eingelegt und mit dem Thermoplast-Partikelschaum umschäumt. Ein derart bereitgestelltes Faserhalbzeug ist im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich einfacher handzuhaben sowie in der Werkzeugkavität der Schäumungsanlage zu positionieren. Im Aufschäumschritt wird das Faserhalbzeug mit dem Thermoplast-Partikelschaum umschäumt, wodurch sich das Schaumstoffelement bildet. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerten Eigensteifigkeit des oben erwähnten Faserhalbzeugs kann das fertiggestellte Schaumstoffelement wesentlich gesteigerte Festigkeitswerte aufweisen.
- Bevorzugt ist es, wenn im obigen Aufschäumschritt die Ausgangskomponente des Thermoplast-Partikelschaums unter Druck und Wärme in der Werkzeugkavität der Schäumungsanlage aufgeschäumt wird. Auf diese Weise kann bevorzugt der sich bildende Thermoplast-Partikelschaum am nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial des Faserhalbzeuges anschmelzen. Auf diese Weise ergibt sich eine Stoffschlussverbindung zwischen dem aufgeschäumten Thermoplast-Partikelschaum und dem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial des Faserhalbzeugs.
- Um im Wesentlichen identische Materialeigenschaften zwischen dem Thermoplast-Partikelschaum und dem Thermoplast-Matrixmaterial zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial und der Thermoplast-Partikelschaum auf der Grundlage materialidentischer Thermoplaste hergestellt werden. Bevorzugt können sowohl das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial des Faserhalbzeugs als auch der Thermoplast-Partikelschaum aus einem Polypropylen gebildet sein.
- Die Bauteilgeometrie des Faserhalbzeugs kann je nach Anwendungsfall variiert werden. Beispielhaft kann das Faserhalbzeug stab- oder rohrförmig bzw. hohlzylindrisch bereitgestellt sein. Alternativ dazu kann das Faserhalbzeug ein Tape mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern sein, die in dem Thermoplast-Matrixmaterial eingebettet sind. Alternativ und/oder zusätzlich kann als Faserhalbzeug auch ein Organoblechteil verwendet werden, bei dem die Verstärkungsfasern ein textiles Grundmaterial bilden, das mit dem Thermoplast-Matrixmaterial durchtränkt ist. Die Verstärkungsfasern können bevorzugt Glasfasern sein. Alternativ dazu können auch Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder dergleichen verwendet werden.
- Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, bezieht sich die Erfindung insbesondere auf ein System, in dem ein EEP-Bauteil durch geeignete Einleger auf PP-FVK-Basis lokal und belastungsgerecht verstärkt wird. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen mit metallischen Einlegern bzw. Drahtverstärkungen werden hierbei belastungsoptimierte lokale faserverstärkte Verstärkungsstrukturen mit PP-Matrix eingesetzt. Durch die Wahl des Matrixsystems Polypropylen kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen EPP und PP-FVK-Verstärkungsstrukturen durch ein Verschmelzen der Matrix im Fertigungsprozess erzielt werden. Somit wird eine spätere Relativbewegung von EPP und Verstärkungsstrukturen entgegengewirkt. Darüber hinaus sind aufgrund der Werkstoffgleichheit in dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialsystem keine variierende thermomechanischen Materialeigenschaften, die zu Bauteilverzügen beführen bzw. den Fertigungsprozess erschweren, zu beachten. Geeignete Verstärkungsstrukturen, die in die EPP-Werkzeuge eingelegt werden können, sind beispielsweise: PP-GF-Stäbe und -Rohre, unidirektionale PP-GF-Tapes oder Textile (das heißt Organobleche) bzw. aus diesen Grundelementen hergestellte Verstärkungsstrukturen (Skelette, 3D-Verstärkungen, etc.). Diese Strukturen werden im Werkzeug lokal positioniert und im Herstellungsprozess als steifigkeits- sowie festigkeitserhöhende Elemente in das Bauteil stoffschlüssig integriert. Desweiteren umfasst die Erfindung auch den Einsatz von PP-Folien in Kombination mit einseitig, doppelseitig und zwischen zwei Folien eingebetteten EPP als Versteifung für das EPP-Bauteil sowie als Oberflächenbildner für nachfolgende Bearbeitungsprozesse.
- In einer besonderen Ausführungsform kann das Schaumstoffelement plattenförmig ausgeführt sein, und zwar in einer Sandwich-Bauweise für den Einsatz als exemplarisch einen Fahrzeugboden. In diesem Fall weist das Schaumstoffelement einen Mehrlagenaufbau auf, und zwar mit einer Kernmateriallage aus dem Thermoplast-Partikelschaum. Auf der Kernmateriallage kann einseitig oder doppelseitig eine Zwischenlage aus dem Faserhalbzeug beschichtet sein, die wiederum mit einer Thermoplast-Folie als Deckschicht beschichtet ist. Die Thermoplast-Folie kann im Gegensatz zur Zwischenlage nicht mit Verstärkungsfasern durchsetzt sein, sondern aus reinem Thermoplast-Material aufgebaut sein. Die Thermoplast-Folie dient bei diesem Materialaufbau einerseits zur Steigerung der Bauteilsteifigkeit des plattenförmigen Schaumstoffelementes. Andererseits dient die Thermoplast-Folie auch als Oberflächenbildner für nachfolgende Bearbeitungsprozesse.
- Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
- Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 in einer grob schematischen Seitenschnittdarstellung ein Schaumstoffelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 bis4 jeweils Ansichten, die Prozessschritte zur Herstellung des in der1 gezeigten Schaumstoffelementes veranschaulichen; -
5 in einer Seitenschnittdarstellung ein Schaumstoffelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
6 und7 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung des in der5 gezeigten Schaumstoffelementes veranschaulichen. - Die
1 bis7 sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des Schaumstoffelementes2 wiedergeben. So weist das in der1 gezeigte Schaumstoffelement2 einen inneren Materialkern auf, der als ein Faserhalbzeug1 hergestellt ist. Das Faserhalbzeug1 ist aus einem nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterial3 aufgebaut, in dem Verstärkungsfasern5 eingebettet sind. In der1 ist das Faserhalbzeug1 umfangsseitig mit einem Polypropylen-Partikelschaum7 umschäumt, so dass sowohl das Matrixmaterial3 als auch das Schaummaterial7 materialidentisch ausgebildet sind. - Nachfolgend wird anhand der
2 bis4 der Prozess zur Herstellung des in der1 gezeigten Schaumstoffelementes2 beschrieben: So wird in den2 und3 zunächst das Faserhalbzeug1 hergestellt, und zwar aus einer in der2 gezeigten, noch trockenen (das heißt noch nicht mit Matrixmaterial durchtränkten) Verstärkungsfasermatte9 , in die in einem Prozessschritt (3 ) ein nicht aufgeschäumtes Polypropylen als Matrixmaterial3 injiziert wird. Vor oder nach diesem Prozessschritt wird die Verstärkungsfasermatte9 oder das Faserhalbzeug1 gegebenenfalls unter Wärmebeanspruchung vorgeformt. - Das in der
3 vorgeformt dargestellte Faserhalbzeug1 wird anschließend in eine Werkzeugkavität11 (4 ) einer Schäumungsanlage lagerichtig eingelegt. Für den Aufschäumschritt wird die Werkzeugkavität11 druckdicht geschlossen und wird anschließend unter Druck und Wärme die Ausgangskomponente des Polypropylen-Partikelschaums7 injiziert. Beim Aufschäumvorgang schmilzt der sich bildende Polypropylen-Partikelschaum7 an der Oberfläche des nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterials3 an, wodurch sich eine Stoffschlussverbindung zwischen dem aufgeschäumten Polypropylen-Partikelschaum7 und dem nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterial3 einstellt. - In der
5 ist das Schaumstoffelement2 als ein plattenförmig ausgeführtes Sandwichelement gezeigt, und zwar mit einer mittleren Kernmateriallage aus reinem Polypropylen-Partikelschaum7 . Auf der mittleren Kernmateriallage ist doppelseitig eine Zwischenlage beschichtet, das als Faserhalbzeug1 im Sinne der Erfindung aufgebaut ist. Außenseitig weist das plattenförmige Schaumstoffelement2 jeweils eine obere und eine untere Deckschicht17 auf, die als faserfreie Polypropylen-Folie realisiert ist, das heißt im Gegensatz zur Zwischenlage nicht mit Verstärkungsfasern durchsetzt ist. - Nachfolgend wird anhand der
6 und7 das Verfahren zur Herstellung des in der5 gezeigten plattenförmigen Schaumstoffelementes2 beschrieben: So werden zunächst gemäß der6 als Faserhalbzeuge1 jeweils Organoblechteile bereitgestellt, die jeweils die oben erwähnte Zwischenlage im Schaumstoffelement2 bilden werden. Die Organoblechteile1 sind in der6 bereits mit der, als Deckschicht wirkenden Polypropylen-Folie17 beschichtet, und zwar unter Bildung einer Doppellage. Die so bereitgestellten Doppellagen werden jeweils an, die Werkzeugkavität11 einer Schäumungsanlage begrenzenden Formflächen einer Schäumungsanlage positioniert. Anschließend erfolgt der Aufschäumvorgang, in dem die Ausgangskomponente des Polypropylen-Partikelschaums7 in den Zwischenraum zwischen den beiden Doppellagen injiziert wird. - 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
-
- WO 2008/141816 A1 [0003, 0004]
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelements (
2 ), das aus einem Thermoplast-Partikelschaum (7 ) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (5 ) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug (1 ) bereitgestellt wird, bei dem die Verstärkungsfasern (5 ) in einem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial (3 ) eingebettet sind, und in einem Aufschäumschritt das Faserhalbzeug (1 ) mit dem Thermoplast-Partikelschaum (7 ) umschäumt wird, und zwar unter Bildung des Schaumstoffelements (2 ). - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufschäumschritt die Ausgangskomponente des Thermoplast-Partikelschaums (
7 ) unter Druck und Wärme aufschäumt und an dem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial (3 ) anschmilzt, und zwar unter Bildung einer Stoffschlussverbindung zwischen dem aufgeschäumten Thermoplast-Partikelschaum (7 ) und dem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial (3 ). - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial (
3 ) des Faserhalbzeugs (1 ) und der Thermoplast-Partikelschaum (7 ) materialidentisch sind. - Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial (
3 ) des Faserhalbzeugs (1 ) und/oder der Thermoplast-Partikelschaum (7 ) aus einem Polypropylen gebildet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (
1 ) stab- oder rohrförmig ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (
1 ) ein Tape mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern ist, die in dem Thermoplast-Matrixmaterial eingebettet sind. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (
1 ) ein Organoblechteil ist, bei dem die Verstärkungsfasern (5 ) ein textiles Grundmaterial bilden, das mit dem Thermoplast-Matrixmaterial (3 ) durchtränkt ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (
5 ) Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder dergleichen sind. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaumstoffelement (
2 ) einen Mehrlagenaufbau aufweist, und zwar mit einer Kernmateriallage aus dem Thermoplast-Partikelschaum (7 ), auf der einseitig oder doppelseitig eine Zwischenlage aus dem Faserhalbzeug (1 ) beschichtet wird sowie als Deckschicht eine Thermoplast-Folie (17 ) beschichtet wird, die nicht mit Verstärkungsfasern (5 ) durchsetzt ist. - Schaumstoffelement aus einem Thermoplast-Partikelschaum (
7 ), in dem Verstärkungsfasern (5 ) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (5 ) Bestandteil eines Faserhalbzeugs (1 ) sind, in dem die Verstärkungsfasern (5 ) in einem nicht aufgeschäumten Thermoplast-Matrixmaterial (3 ) eingebettet sind.
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