DE102017011761A1 - Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verbundelement (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten (14, 16) aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordneten und mit den Deckschichten (14, 18) verbundenen Kernschicht (18) aus einem Kunststoffschaum. Eine erste Deckschicht (14) der Deckschichten (14, 16) weist eine erste Einstichdichte und eine geringere Dehnbarkeit auf als eine zweite Deckschicht (16) der Deckschichten (14, 16), welche eine im Vergleich zur ersten Einstichdichte kleinere, zweite Einstichdichte aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Aus der
DE 10 2016 000 726 A1 ist ein gattungsgemäßes Verbundelement mit Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten und mit den Deckschichten verbundenen Kernschicht aus einem Kunststoffschaum bekannt. Eine erste der Deckschichten ist als auf einer der Kernschicht abgewandten Seite unkaschierte Deckschicht ausgebildet und weist Naturfasern als Verstärkungsfasern auf. Eine zweite der Deckschichten ist auf einer der Kernschicht abgewandten Seite mittels wenigstens eines Dekors des Verbundelements kaschiert und weist von den Naturfasern unterschiedliche Verstärkungsfasern auf. - Die
DE 10 2012 006 609 A1 zeigt ein Sandwichbauteil mit einer Wabenkernlage und einer faserverstärkten thermoplastischen Deckschicht. Die Deckschicht ist mittels eines thermoplastischen Materials mit der Wabenkernlage verbunden. Zumindest eine Seite des Sandwichbauteils weist eine Dekorlage auf, die auf der Deckschicht angeordnet ist. Das Sandwichbauteil umfasst zudem eine mit der Deckschicht und der Dekorlage verbundene Schaumlage, welche zwischen der Deckschicht und der Dekorlage angeordnet ist. - Des Weiteren ist aus der
DE 198 32 721 A1 ein schichtenförmig zusammengesetzter Verbundwerkstoff zur Stabilisierung einer Kernkomponente von Formteilen bekannt, wobei jeweilige Schichten des Verbundwerkstoffs aus einer Thermoplastschicht und einem textilen Flächengebilde, welches Naturfasern enthält, und einer in Längs- und Querrichtung dehnbaren Abdeckschicht bestehen. - Bei Fahrzeugen kommen Verbundelemente, insbesondere in Form von gepressten Verkleidungsteilen zum Einsatz, wobei solche Verkleidungsteile insbesondere als Innenverkleidungsteile verwendet werden und in Innenräumen von Fahrzeugen verbaut werden. Die gepressten Verkleidungsteile werden oftmals aus thermoplastischen Hybrid-Vliesstoffen hergestellt. Diese bezeichnen eine Kombination aus Verstärkungs- und Kunststofffasern, die durch wirre Anordnung einen Verbundwerkstoff bilden, wobei insbesondere Natur- oder Glasfasern als Verstärkungskomponente zum Einsatz kommen können.
- Die Verbundelemente können allgemein einen Sandwichverbund aus mehreren Deckschichten mit einem als thermoplastische Matrix ausgebildeten Kunststoff und einem zugehörigen Kernmaterial, welches auch als Kernschicht bezeichnet werden kann, ausbilden. Durch diesen Sandwichverbund weisen die Verbundelemente eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf.
-
3 zeigt exemplarisch einen Umformprozess bei der Herstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelements100 , bei welchem ein Kunststoff, also eine Matrix, jeweiliger Deckschichten102 ,104 in jeweils geschmolzener Form vorliegt, was eine Umformung, also eine Formgebung, des Verbundelements100 mittels eines Umformwerkzeugs108 begünstigt, bzw. zulässt. Zwischen den beiden Deckschichten102 ,104 befindet sich eine Kernschicht106 , welche auch als Schaumkern bezeichnet werden kann. Bei dem in3 gezeigten Verbundelement100 sind die beiden Deckschichten102 ,104 aus einem Verbund aus Polypropylen (PP) und Verstärkungsfasern und die Kernschicht106 als thermoplastischer Schaumkern ausgebildet. - Problematisch bei der Formgebung ist, dass insbesondere bei starker Umformung des Verbundelements
100 eine starke, zumindest lokale Materialdehnung auftritt, was zu sogenannten Ausdünnungen110 insbesondere an der, dem Umformwerkzeug108 abgewandten Deckschicht102 führen kann. Dadurch kann eine übermäßige Dehnung der Deckschicht102 und sogar eine Rissbildung an der Deckschicht102 auftreten. - Ein weiteres Problem bei der Formgebung (Umformung) besteht darin, dass die von dem Umformwerkzeug
108 entfernt liegende Deckschicht102 bei der Formgebung um eine, durch das Umformwerkzeug108 vorgegebene, konvexe Form aufgrund von durch die Umformung bedingten Zugspannungen entsprechende Normalkräfte auf die zwischen den Deckschichten102 ,104 liegende Kernschicht106 des Verbundelements100 ausübt. - Infolgedessen wird die Kernschicht
106 zusammengedrückt und verliert dabei im Bereich der Ausdünnung110 an Höhe. Dadurch kommt es zu ungünstigen Steifigkeitsverlusten des Verbundelements100 , wobei die Kernschicht106 (Schaumkern) im Extremfall sogar vollständig zerdrückt werden und damit ein Sandwicheffekt zumindest in einem Teilbereich des Verbundelements100 nahezu vollständig verloren gehen kann. Dies führt insbesondere bei hohen Ziehtiefen dazu, dass Radienbereiche des Verbundelements100 stark geschwächt werden und damit das gesamte Verbundelement100 entsprechenden Belastungsanforderungen nicht genügen kann, obwohl in radienfernen Bereichen keine derartige Ausdünnung bzw. kein derartiges Zusammendrücken erfolgt. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches besonders günstige Umformeigenschaften aufweist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
- Die Erfindung geht von einem Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten und mit den Deckschichten verbundenen Kernschicht aus einem Kunststoffschaum, aus. Die Deckschichten umfassen also jeweilige Fasern, welche mit dem Kunststoff verbunden sind. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können auch als jeweiliges Vlies ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die erste Deckschicht als erstes Vlies und die zweite Deckschicht als zweites Vlies ausgebildet sein.
- Um ein Verbundelement, insbesondere für ein Fahrzeug, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welches besonders günstige Umformeigenschaften aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Deckschicht der Deckschichten eine erste Einstichdichte und eine geringere Dehnbarkeit aufweist als eine zweite Deckschicht der Deckschichten, welche eine im Vergleich zur ersten Einstichdichte kleinere, zweite Einstichdichte aufweist. Durch die verschiedenen Einstichdichten der jeweiligen Deckschichten sind die beiden Deckschichten voneinander verschieden. Mit anderen Worten weist das Verbundelement dadurch einen asymmetrischen Materialaufbau auf, wodurch aus dem Stand der Technik bekannte Probleme der unerwünschten Ausdünnung bzw. des unerwünschten Zusammendrückens vermieden werden können.
- Die erste Deckschicht kann vorzugsweise als Verbund mit hohem Dehnwiderstand gebildet sein, welcher eine Matrix aus Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen und Verstärkungsfasern aufweisen kann. Die zweite Deckschicht kann vorzugsweise als Verbund mit im Vergleich zur ersten Deckschicht geringem Dehnwiderstand gebildet sein, welcher ebenfalls eine Matrix aus Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen und Verstärkungsfasern aufweisen kann.
- Bei einer Formgebung (Umformung) des Verbundelements ist es vorteilhaft die Deckschichten derart relativ zum Umformwerkzeugs anzuordnen, dass die zweite Deckschicht beim Umformen des Verbundelements an einer konvexen Seite des Verbundelements liegt, also vom Umformwerkzeug abgewandt angeordnet ist, sodass die zweite Deckschicht aufgrund ihrer Beschaffenheit zumindest bei deren Verarbeitungstemperatur keine hohen Dehnkräfte aufnehmen kann. Damit ist die zweite Deckschicht bei der Verformung auch nicht in der Lage eine hohe Normalkraft auf die Kernschicht auszuüben, wodurch die Kernschicht nur unwesentlich beim Verformen verpresst (zusammengedrückt) wird. Dadurch kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Steifigkeit des Verbundelements, zumal die Kernschicht kaum zusammengedrückt wird und dementsprechend ihre Funktion der Steifigkeitserhöhung als Kern des Verbundelements aufrechterhalten kann.
- Würden beide Deckschichten aus dem gleichen Material gefertigt werden, so wäre ein Umformen im Rahmen eines Tiefziehens kaum zerstörungsfrei möglich, da die Deckschichten sehr schnell durch hohe lokale Dehnung zerstört werden könnten.
- Die Vermeidung von hoher lokaler Dehnung übernimmt die erste Deckschicht, welche derart beschaffen ist, dass sie bei deren Verarbeitungstemperatur nur eine geringe Dehnung zulässt. Die erste Deckschicht kann im Gegensatz zur zweiten Deckschicht somit besonders hohe radiale Kräfte am Umformwerkzeug verursachen, was jedoch nicht von Nachteil ist. Durch den hohen Dehnwiderstand der ersten Deckschicht kann beim Umformen einerseits Material von jeweiligen Randbereichen des Verbundelements nachfließen und andererseits erfolgen Dehnungen nicht nur lokal, sondern verteilen sich auf größere Flächen. Wenn bei der Herstellung des Verbundelements durch das Umformen das Nachfließen des Materials nicht behindert wird und das Material genug Festigkeit aufweist, kann in Bereichen des Verbundelements mit hohem Umformgrad (Tiefziehgrad) ausreichend Material nachfließen und damit eine lokale Ausdünnung verhindert werden. Dies wird durch die erste Deckschicht mit deren, im Vergleich zur zweiten Deckschicht geringeren Dehnbarkeit ermöglicht.
- Die verschiedenen Deckschichten erfüllen also bei der Herstellung des Verbundelements während des Umformens verschiedene Funktionen. Die erste Deckschicht unterstützt das Nachfließen des Materials und reduziert lokale Dehnungen, während die zweite Deckschicht möglichst geringe Kräfte beim Umformen, also bei deren Dehnung erzeugt.
- Mit dem Verbundelement ist zusammenfassend ein Mehrlagenverbund geschaffen, welcher zumindest die verschiedenen Deckschichten und die zwischen den Deckschichten angeordnete Kernschicht umfasst, bei welchem die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme der unerwünschten Ausdünnung und des unerwünschten Zusammendrückens zumindest wesentlich reduziert werden können, wodurch hohe Umformgrade bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Steifigkeit erzielt werden können.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
- Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Verbundelements; -
2 eine weitere schematische Schnittansicht des mittels eines Umformwerkzeugs an einem Umformbereich verformten Verbundelements; und -
3 eine schematische Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelements. - In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Verbundelements10 für ein vorliegend nicht weiter dargestelltes Fahrzeug. Das Verbundelement10 umfasst jeweilige Deckschichten14 ,16 aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine, zwischen den Deckschichten14 ,16 angeordnete und mit den Deckschichten14 ,16 verbundene Kernschicht18 aus einem Kunststoffschaum. Der Kunststoffschaum ist vorliegend als Polyethylenterephthalat-Schaum (PET-Schaum) ausgebildet. Die Verwendung des Polyethylenterephthalat-Schaums ist von Vorteil, da der thermoplastische Schaumkern18 hierdurch bei dessen Verarbeitungstemperatur plastisch verformbar, jedoch noch nicht in einem geschmolzenen Zustand vorliegt, während der PP-Anteil der Deckschicht aufgeschmolzen ist. Dadurch ergibt sich eine Weichheit des Schaumkerns18 bei dessen Verarbeitungstemperatur, sodass unterschiedliche Festigkeiten bzw. Dehnbarkeiten der Deckschichten14 ,16 insgesamt besonders gut zur Geltung kommen. Die jeweiligen Deckschichten14 ,16 und die Kernschicht18 bilden einen Sandwichverbund12 . Die Deckschichten14 ,16 sind vorliegend als jeweilige Vliese ausgebildet. Die Deckschichten14 ,16 sind mittels einer jeweiligen Haftvermittler-Folie (nicht gezeigt) mit der Kernschicht18 verbunden. - Die erste Deckschicht
14 ist vorliegend zumindest teilweise aus Naturfasern, Kunststofffasern und zusätzlich oder alternativ aus Glasfasern gebildet. - Das Verbundelement
10 weist zudem ein Dekorelement28 sowie ein Schaumelement30 auf, mittels welcher das Dekorelement28 auf der ersten Deckschicht14 gehalten ist. Das Dekorelement28 kann als TPO-Folie oder als PVC-Folie ausgebildet sein, wobei das Schaumelement30 einen Schaumrücken des Dekorelements28 bilden kann. - Eine erste Deckschicht
14 der Deckschichten14 ,16 weist eine erste Einstichdichte und eine geringere Dehnbarkeit als eine zweite Deckschicht16 der Deckschichten14 ,16 auf, welche eine im Vergleich zur ersten Einstichdichte kleinere, zweite Einstichdichte aufweist. - Die erste Deckschicht
14 ist durch ein stärkeres Vernadeln hergestellt, als die zweite Deckschicht16 . Mit anderen Worten sind die beiden Deckschichten14 ,16 unterschiedlich und damit asymmetrisch vernadelt. Durch das stärkere Vernadeln der ersten Deckschicht14 (erstes Vlies) weist diese eine geringere Dehnung (Dehnbarkeit) auf, als die zweite Deckschicht16 , welche im Vergleich zur ersten Deckschicht14 durch ein weniger starkes Vernadeln hergestellt ist. Durch das stärkere Vernadeln ist die erste Einstichdichte größer als die zweite Einstichdichte. - Die erste Einstichdichte (der durch das stärkere Vernadeln hergestellten, ersten Deckschicht
14 ) entspricht einem Wert zwischen einschließlich 100 Einstichen pro Quadratzentimeter und einschließlich 400 Einstichen pro Quadratzentimeter. Die zweite Einstichdichte (der schwächer fernadelten, zweiten Deckschicht16 ) entspricht einem Wert von weniger als 100 Einstichen pro Quadratzentimeter. - Zumindest eine der Deckschichten
14 ,16 kann aus einer Mehrzahl an Einzelschichten, welche zu der jeweiligen Deckschicht14 bzw. zu der Deckschicht16 verbunden sein können, bestehen. Dadurch ist eine besonders gezielte Einstellung von physikalischen Eigenschaften der Deckschicht14 bzw.16 ermöglicht. So kann beispielsweise die jeweilige Deckschicht14 bzw.16 schichtweise stärker vernadelt sein, indem eine der Einzelschichten stärker vernadelt ist als eine andere der Einzelschichten bzw. die anderen Einzelschichten. Zumindest eine der Einzelschichten kann auch eine unterschiedliche Faserlänge, also länger oder kürzere Verstärkungsfasern aufweisen, als andere Einzelschichten. -
2 zeigt ein Umformen des Verbundelements10 mittels eines Umformwerkzeugs40 , wodurch das Verbundelement10 an einem Umformbereich50 plastisch verformt wird. Infolge der unterschiedlichen Einstichdichten weist die dem Umformwerkzeug40 beim Umformen zugewandte, erste Deckschicht14 einen hohen Dehnwiderstand auf, wohingegen die dem Umformwerkzeug40 beim Umformen abgewandte, zweite Deckschicht16 einen besonders geringen Dehnwiderstand aufweist. Damit werden lokale Dehnungen des Verbundelements10 selbst bei starkem Umformen gering gehalten, bzw. reduziert, sodass der Sandwichverbund12 selbst bei einem derart starken Umformen erhalten bleibt. - Das Verbundelement
10 ermöglicht zusammenfassend eine verbesserte Verformung bzw. Umformung von Sandwichbauteilen aus Mikrosandwich, da eine lokale Ausdünnung des Materials des Verbundelements10 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verbundelementen wesentlich reduziert werden kann. Aufgrund der geringeren Zugkräfte in der dehnbaren, zweiten Deckschicht16 wirken bei der Verarbeitung, also beim Umformen des Verbundelements10 weniger Normalkräfte auf die Kernschicht18 , womit eine Höhe der Kernschicht18 beim Umformen zumindest weitgehend erhalten bleibt. Dadurch weist das umgeformte Verbundelement10 auch in stark verformten Bereichen des Sandwichverbunds12 eine hohe Steifigkeit auf. - 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
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- DE 102016000726 A1 [0002]
- DE 102012006609 A1 [0003]
- DE 19832721 A1 [0004]
Claims (7)
- Verbundelement (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit Deckschichten (14, 16) aus faserverstärktem Kunststoff und mit einer zwischen den Deckschichten (14, 16) angeordneten und mit den Deckschichten (14, 18) verbundenen Kernschicht (18) aus einem Kunststoffschaum, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Deckschicht (14) der Deckschichten (14, 16) eine erste Einstichdichte und eine geringere Dehnbarkeit aufweist als eine zweite Deckschicht (16) der Deckschichten (14, 16), welche eine im Vergleich zur ersten Einstichdichte kleinere, zweite Einstichdichte aufweist.
- Verbundelement (10) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einstichdichte einem Wert zwischen einschließlich 100 Einstichen pro Quadratzentimeter und einschließlich 400 Einstichen pro Quadratzentimeter und die zweite Einstichdichte einem Wert von weniger als 100 Einstichen pro Quadratzentimeter entspricht. - Verbundelement (10) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (14) zumindest teilweise aus Naturfasern, Kunststofffasern und/oder Glasfasern gebildet ist. - Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundelement (10) ein Dekorelement (28) sowie ein Schaumelement (30) aufweist, mittels welcher das Dekorelement (28) auf der ersten Deckschicht (14) gehalten ist.
- Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum der Kernschicht (18) als Polyethylenterephthalat-Schaum ausgebildet ist.
- Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Deckschichten (14, 16) Polypropylen enthält.
- Verbundelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Deckschichten (14, 16) mittels einer Haftvermittler-Folie mit der Kernschicht (18) verbunden ist.
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2017
- 2017-12-20 DE DE102017011761.6A patent/DE102017011761A1/de active Pending
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