DE102016203444B4

DE102016203444B4 - Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelementes

Info

Publication number: DE102016203444B4
Application number: DE102016203444.8A
Authority: DE
Inventors: Manfred Burkhard Helm; Philipp Marcks; Julia Bierbaum; Frank Schmidt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: DE102016203444A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelements (2), das aus einem Thermoplast-Partikelschaum (7) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist, wobei 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), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitstellungsschritt das Faserhalbzeug (1) als ein Organoblechteil bereitgestellt wird, bei dem die Verstärkungsfasern (5) ein textiles Grundmaterial bilden, das mit dem Thermoplast-Matrixmaterial (3) durchtränkt ist, wobei das Organoblechteil unter Bildung einer Doppellage mit einer als Deckschicht wirkenden Thermoplast-Folie (17) beschichtet wird, und dass für den Aufschäumschritt die Doppellage an eine, eine Werkzeugkavität (11) einer Schäumungsanlage begrenzende Formfläche positioniert wird, und dass anschließend der Aufschäumschritt erfolgt, in dem 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).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelementes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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 ein Schaumstoffelement bekannt, bei dem auf einen Metalleinleger zur lokalen Steigerung der mechanischen Eigenschaften verzichtet wird, und anstelle dessen im Schaumstoffelement ein Kunststoffgitter, ein Gewebe oder Geflecht zur Verstärkung zumindest eines Teilbereiches des Schaumstoffelementes integriert ist.
Bei der Herstellung des obigen, aus der WO 2008/141816 A1 bekannten Bauteils wird zunächst das Kunststoffgitter, das Gewebe oder das Geflecht als Einlegerteil in die Werkzeugkavität einer Schäumungsanlage eingelegt und erfolgt anschließend ein Schäumungsvorgang, bei dem das Einlegerteil mit dem Thermoplast-Partikelschaum umschäumt wird. Das wie oben ausgeführte Einlegerteil weist jedoch eine vergleichsweise reduzierte Eigensteifigkeit auf, wodurch die Handhabung des Einlegerteils sowie die Positionierung in der Werkzeugkavität der Schäumungsanlage erschwert ist. Zudem sind die mit dem obigen Einlegerteil zu erzielenden Festigkeitswerte im fertiggestellten Schaumstoffelement begrenzt.
Aus der EP 2 404 788 A1 ist ein gattungsgemäßes Bauelement zur Aufnahme von Energie bekannt. Aus der DE 10 2005 029 009 A1 ist ein Formkörper aus Thermoplast-Partikelschaumstoff mit einem eingeschäumten Gitterkern bekannt. Aus der DE 198 19 750 A1 ist ein Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes bekannt, der aus einem Partikelschaum aus expandiertem Polypropylen besteht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumstoffelementes 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 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß 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.
Im obigen Aufschäumschritt wird die Ausgangskomponente des Thermoplast-Partikelschaums unter Druck und Wärme in der Werkzeugkavität der Schäumungsanlage aufgeschäumt. 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 material identischer Thermoplaste hergestellt werden. Bevorzugt können sowohl das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial des Faserhalbzeugs als auch der Thermoplast-Partikelschaum aus einem Polypropylen gebildet sein.
Erfindungsgemäß wird als Faserhalbzeug ein Organoblechteil verwendet, 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 EPP-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 führen bzw. den Fertigungsprozess erschweren, zu beachten. Verstärkungsstrukturen, die in die EPP-Werkzeuge eingelegt werden können, sind Textile (das heißt Organobleche). Diese Strukturen werden im Werkzeug lokal positioniert und im Herstellungsprozess als steifigkeits- sowie festigkeitserhöhende Elemente in das Bauteil stoffschlüssig integriert. Desweiteren umfasst die Erfindung 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 nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel;
2 bis 4 jeweils Ansichten, die Prozessschritte zur Herstellung des in der 1 gezeigten Schaumstoffelementes veranschaulichen;
5 in einer Seitenschnittdarstellung ein Schaumstoffelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 und 7 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung des in der 5 gezeigten Schaumstoffelementes veranschaulichen.

Die 1 bis 7 sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des Schaumstoffelementes 2 wiedergeben. So weist das in der 1 gezeigte Schaumstoffelement 2 einen inneren Materialkern auf, der als ein Faserhalbzeug 1 hergestellt ist. Das Faserhalbzeug 1 ist aus einem nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterial 3 aufgebaut, in dem Verstärkungsfasern 5 eingebettet sind. In der 1 ist das Faserhalbzeug 1 umfangsseitig mit einem Polypropylen-Partikelschaum 7 umschäumt, so dass sowohl das Matrixmaterial 3 als auch das Schaummaterial 7 materialidentisch ausgebildet sind.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 4 der Prozess zur Herstellung des in der 1 gezeigten Schaumstoffelementes 2 beschrieben: So wird in den 2 und 3 zunächst das Faserhalbzeug 1 hergestellt, und zwar aus einer in der 2 gezeigten, noch trockenen (das heißt noch nicht mit Matrixmaterial durchtränkten) Verstärkungsfasermatte 9, in die in einem Prozessschritt (3) ein nicht aufgeschäumtes Polypropylen als Matrixmaterial 3 injiziert wird. Vor oder nach diesem Prozessschritt wird die Verstärkungsfasermatte 9 oder das Faserhalbzeug 1 gegebenenfalls unter Wärmebeanspruchung vorgeformt.
Das in der 3 vorgeformt dargestellte Faserhalbzeug 1 wird anschließend in eine Werkzeugkavität 11 (4) einer Schäumungsanlage lagerichtig eingelegt. Für den Aufschäumschritt wird die Werkzeugkavität 11 druckdicht geschlossen und wird anschließend unter Druck und Wärme die Ausgangskomponente des Polypropylen-Partikelschaums 7 injiziert. Beim Aufschäumvorgang schmilzt der sich bildende Polypropylen-Partikelschaum 7 an der Oberfläche des nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterials 3 an, wodurch sich eine Stoffschlussverbindung zwischen dem aufgeschäumten Polypropylen-Partikelschaum 7 und dem nicht aufgeschäumten Polypropylen-Matrixmaterial 3 einstellt.
In der 5 ist das Schaumstoffelement 2 als ein plattenförmig ausgeführtes Sandwichelement gezeigt, und zwar mit einer mittleren Kernmateriallage aus reinem Polypropylen-Partikelschaum 7. Auf der mittleren Kernmateriallage ist doppelseitig eine Zwischenlage beschichtet, das als Faserhalbzeug 1 im Sinne der Erfindung aufgebaut ist. Außenseitig weist das plattenförmige Schaumstoffelement 2 jeweils eine obere und eine untere Deckschicht 17 auf, die als faserfreie Polypropylen-Folie realisiert ist, das heißt im Gegensatz zur Zwischenlage nicht mit Verstärkungsfasern durchsetzt ist.
Nachfolgend wird anhand der 6 und 7 das Verfahren zur Herstellung des in der 5 gezeigten plattenförmigen Schaumstoffelementes 2 beschrieben: So werden zunächst gemäß der 6 als Faserhalbzeuge 1 jeweils Organoblechteile bereitgestellt, die jeweils die oben erwähnte Zwischenlage im Schaumstoffelement 2 bilden werden. Die Organoblechteile 1 sind in der 6 bereits mit der, als Deckschicht wirkenden Polypropylen-Folie 17 beschichtet, und zwar unter Bildung einer Doppellage. Die so bereitgestellten Doppellagen werden jeweils an, die Werkzeugkavität 11 einer Schäumungsanlage begrenzenden Formflächen einer Schäumungsanlage positioniert. Anschließend erfolgt der Aufschäumvorgang, in dem die Ausgangskomponente des Polypropylen-Partikelschaums 7 in den Zwischenraum zwischen den beiden Doppellagen injiziert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffelements (2), das aus einem Thermoplast-Partikelschaum (7) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist, wobei 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), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitstellungsschritt das Faserhalbzeug (1) als ein Organoblechteil bereitgestellt wird, bei dem die Verstärkungsfasern (5) ein textiles Grundmaterial bilden, das mit dem Thermoplast-Matrixmaterial (3) durchtränkt ist, wobei das Organoblechteil unter Bildung einer Doppellage mit einer als Deckschicht wirkenden Thermoplast-Folie (17) beschichtet wird, und dass für den Aufschäumschritt die Doppellage an eine, eine Werkzeugkavität (11) einer Schäumungsanlage begrenzende Formfläche positioniert wird, und dass anschließend der Aufschäumschritt erfolgt, in dem 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, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht aufgeschäumte Thermoplast-Matrixmaterial (3) des Faserhalbzeugs (1) und der Thermoplast-Partikelschaum (7) materialidentisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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 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 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.