DE102018109367A1

DE102018109367A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug mit verbesserter Endfertigung

Info

Publication number: DE102018109367A1
Application number: DE102018109367.5A
Authority: DE
Inventors: Steve Jeunesse; Xavier Bathelier
Original assignee: Faurecia Automotive Industrie SAS
Current assignee: Adler Pelzer France Grand Est SAS
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2018-10-25
Also published as: FR3065392A1; FR3065392B1

Abstract

Das Herstellungsverfahren umfasst: - Vorsehen folgender Elemente: eines wabenförmigen Abstandhalters (10), zweier Glasfasermatten (12), zweier thermoplastischer Schichten (14) und zweier Vliesbahnen (16), - Zusammenbauen dieser Elemente zu einer Struktur, wobei die Elemente in der nachfolgenden Reihenfolgen aufeinander gestapelt werden: eine der Bahnen (16), dann eine der Matten (12), dann eine der Schichten (14), dann der Abstandhalter (10), dann die andere Schicht (14), dann die andere Matte (12), dann die andere Bahn (16); - Erwärmen der Struktur auf einen Schmelzpunkt des Polymers, so dass das geschmolzene Polymer durch die Matten (12) hindurch expandiert und den Abstandhalter (10) ganz imprägniert; gefolgt durch - Thermoformen der Struktur in einer Form (20), wobei das Thermoformen die Verformung des Abstandhalters (10) beinhaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Heckablage.
Eine Kraftfahrzeug Kraftfahrzeug-Heckablage ist zur Ausrüstung eines hinteren Kofferraums des Kraftfahrzeug bestimmt, insbesondere um den Kofferraum vom Fahrzeuginnenraum zu trennen. Eine derartige Heckablage besteht aus einer Platte, die hart genug ist, damit die Heckablage Gegenstände aufnehmen und tragen kann.
Aus dem Stand der Technik ist bereits ein Verfahren zur Herstelllung einer Heckablage aus einem Verbundstoff auf Glasfaser- und Polypropylenbasis (gemeinhin „Sommold“ genannt) bekannt. Dieser Stoff wird insbesondere als solcher verwendet, um Strukturbauteile herzustellen. Dieser Stoff wird in einem klassischen Textilverfahren (Kardieren, Schlagen und Nadelstich) in Form einer Bahn hergestellt, was eine enge Vermischung der Glasfasern und der thermoplastischen Fasern ermöglicht, bevor sie thermogeformt werden, um so ein Strukturbauteil zu bilden. Die Matrix des Verbundstoffs wird dann aus dem aus den thermoplastischen Fasern resultierenden Polymer gebildet.
Eine Heckablage dieser Art ist jedoch nicht ganz zufriedenstellend.
Inbesondere ist eine derartige Sommold-Heckablage mit einer Dichte von mehr als 2 kg/m² besonders schwer, insbesondere um eine ausreichende Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
Außerdem weist eine Heckablage dieser Art allgemein Glasfaservorsprünge an den Kanten auf, die für eine unangenehme Haptik sorgen und mitunter auch leichte Schnittwunden verursachen.
Außerdem führt das Ausschneiden in einigen Fällen zu einer sehr geringen Dicke auf den Kanten, was sie scharf macht.
Außerdem durchdringen Glasfasern macnhmal die Verkleidungsschicht, bei der es sich üblicherweise um einen genadelten Stoff handelt, was Hautreizungen hervorruft.
Zur Überwindung dieser Nachteile sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden.
Insbesondere kann man zur Besserung der scharfen Kanten extrudierte Kunststoffbänder mit U-förmigem Querschnitt auf die Kanten der Ablage anbringen, um die Glasfaservorsprünge zuzudecken. Die Anbringung dieser Bänder erfordert jedoch zusätzliche Verfahrensschritte bei der Herstellung der Ablage, und ist somit mit Mehrkosten verbunden. Außerdem kommt die Ästhetik bei Bändern dieser Art oft zu kurz.
Ferner ist zur Besserung der übermäßigen Masse vorgeschlagen worden, das Polypropylen durch Polyethylenterephthalat (PET) zu ersetzen, da dieses ein besseres Young-Modul und ein besseres Verhalten bei hoher Temperatur aufweist, was zu Massereduzierungen auf der Größenordnung von 25 % geführt hat. Dieses Verfahren erfordert jedoch längere Zykluszeiten, da die Umwandlung dieses Stoffs bei 250 °C erfolgt, was mit Mehrkosten verbunden ist. Außerdem gilt die aus diesem Verfahren resultierende Massereduzierung als ungenügend.
Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, die vorgenannten Nachteile zu überwinden, indem ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Heckablage, mit reduzierter Masse und ohne scharfe Kanten bereitzustellen, ohne dass dabei Mehrkosten anfallen.
Gegenstand der Erfindung ist hierzu insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Heckablage, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

- Vorsehen folgender Elemente: eines wabenförmigen Abstandhalters, zweier Glasfasermatten, zweier thermoplastischer Schichten und zweier Vliesbahnen;
- Zusammenbauen dieser Elemente zu einer Struktur, wobei die Elemente in der nachfolgenden Reihenfolgen aufeinander gestapelt werden: eine der Vliesbahnen, dann eine der Glasfasermatten, dann eine der Polymerschichten, dann der wabenförmige Abstandhalter, dann die andere Polymerschicht, dann die andere Glasfasermatte, dann die andere Vliesbahn;
- Erwärmen der Struktur mindestens auf einen Schmelzpunkt des Polymers, so dass das geschmolzene Polymer durch die Glasfasermatten hindurch expandiert und den wabenförmigen Abstandhalter ganz imprägniert; gefolgt durch
- Thermoformen der Struktur in einer Form, wobei das Thermoformen die Verformung des wabenförmigen Abstandhalters beinhaltet.

Beim Schmelzen imprägniert das Polymer infolge seiner niedrigen Viskosität den wabenförmigen Abstandhalter. Der wabenförmige Abstandhalter wird dann plastisch und lässt sich verformen, wobei es sich der Form vollkommen anpasst. Dann ist es möglich, dem Strukturbauteil jede nur denkbare Form zu geben, und insbesondere Kanten herzustellen, die nicht scharf sind.
Außerdem ist ein derartiges Strukturbauteil relativ leicht und mit keinerlei besonderen Mehrkosten verbunden.
Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren kann ferner mindestens eine der nachfolgend aufgeführten Eigenschaften, allein oder in jeder technisch möglichen Kombination, beinhalten.

- Der wabenförmige Abstandhalter weist eine Bienenwabenstruktur auf.
- Der wabenförmige Abstandhalter besteht aus Papier, z.B. Karton.
- Das Polymer weist eine Viskosität zwischen 40g/10mn und 80g/10mn auf, wenn die Temperatur seinen Schmelzpunkt um 10°C übersteigt.
- Jede Polymerschicht weist eine Dichte zwischen 100 und 300 g/m2 auf.
- Der wabenförmige Abstandhalter weist eine Dicke zwischen 5 und 10 mm, z.b. im Wesentlichen gleich 6 mm, auf.
- Beim Thermoformen werden auf mindestens einer Kante des Strukturbauteils die Bahnen (16) miteinander verbunden und Matten (12) miteinander verbunden..
- Das Erwärmen erfolgt mittels einer Heizanlage, die zwei Heizplatten umfasst, zwischen denen die Struktur angeordnet ist.
- Eine zusätzliche Polymerschicht wird zwischen jeder Vliesbahn und der entsprechenden Glasfasermatte angeordnet.
- Jede an den Abstandhalter angrenzende Polymerschicht ist eine Stoffbahn, und/oder jede zusätzliche Polymerschicht besteht aus einer Folie.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden, rein beispielhaften Beschreibung, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:

- 1 eine Explosionszeichnung eines Stapels von Elementen, die eine in einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellte Ablagestruktur bilden;
- 2 eine schematische Darstellung einer Kante einer in o.g. Herstellungsverfahren hergestellten Ablage in einem Thermoformwerkzeug.

1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Stapels von Elementen, der ein Strukturbauteil, insbesondere eine Heckablage zur Verkleidung eines Kraftfahrzeug-Kofferraums, bilden soll.
Der Stapel umfasst folgende Elemente: einen wabenförmigen Abstandhalter 10, zwei Glasfasermatten 12, zwei thermoplastische Schichten 14 und zwei Vliesbahnen 16.
In einer Variante können zwei Polymerschichten beiderseits jeder Glasfasermatte angeordnet werden.
In diesem Fall können die zwei Polymerschichten jedes Polymerschichtpaares unterschiedlicher Natur sein und unterschiedliche Gewichte aufweisen. Die Polymerschicht, die auf dem Abstandhalter 10 aufliegen soll, ist z.B. eine Stoffbahn (Nadelstich oder Spunbond). Tatsächlich weist eine derartige Stoffbahn eine Dicke auf, die die einer Folie weitaus übersteigt (z.B. 4 mm dick gegenüber 250 µm im Falle einer Folie), und passt sich der Form der Wabenstruktur des Abstandhalters 10 (rundgezackt) besser an, was eine bessere Verankerung der Waben ermöglicht.
Jedes Paar Polymerschichten umfasst also vorteilhafterweise eine abstandhalterseitige Stoffbahn (z.B. mit einer Dichte von 50 g/m²) und eine vliesseitige Bahn in Folienform (z.B. mit einer Dichte von 100 g/m²). Aufgrund ihrer rundgezackten Form ermöglicht Stoffbahn eine ausgezeichnete Verankerung trotz geringem Gewicht, während die wirtschaftliche Folie das Gros der Matrixfunktion übernimmt.
Der wabenförmige Abstandhalter 10 weist eine Bienenwabenstruktur 17 auf. Im Einzelnen weist der Abstandhalter 10 eine Mehrzahl Wände, die im Wesentlichen senkrecht zu einer mittleren Ebene verlaufen, wobei die Wände zentrale Räume mit geschlossener Kontur abgrenzen, die die Waben bilden. Also mündet jeder mittlere Raum bzw. jede Wabe gegenüber einer der jeweiligen Polymerschichten 14.
Die Waben definieren z.B. polygonale, insbesondere hexagonale, Maschen.
Der Abstandhalter 10 besteht aus einem Material, das geeignet ist, sich vom geschmolzenen Polymer imprägnieren zu lassen. Der wabenförmige Abstandhalter 10 besteht z.B. aus Papier, insbesondere Karton.
Der wabenförmige Abstandhalter 10 weist eine Dicke zwischen 5 und 10 mm, z.B. auf der Größenordnung von 6 mm, auf.
Vorteilhafterweise ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Viskosität zwischen 40g/10mn und 80Gg/10mn aufweist, wenn die Temperatur seinen Schmelzpunkt um 10°C übersteigt. Damit ist das geschmolzene Polymer geeignet, den Abstandhalter 10 zu imprägnieren.
Jede thermoplastische Polymerschicht 14 weist eine Masse auf, die ausreicht, damit das geschmolzene Polymer den Abstandhalter 10 komplett imprägniert. Jede Polymerschicht weist z.B. eine Dichte zwischen 100 und 300 g/m² auf.
Der Thermoplast, der jede Schicht 14 bildet, ist vorteilhafterweise Polypropylen (PP). Ein Material dieser Art ist besonders wirtschaftlich.
Jede Schicht 14 besteht z.B. aus einer Polymerfolie, einem Vlies aus Polymerfasern, einer Polymerpulverschicht, oder sie liegt in einer beliebigen anderen denkbaren Form vor.
Jede Matte 12 besteht vorzugsweise aus langen Glasfasern (mit Längen zwischen 8 und 50 cm) oder durchgehenden Glasfilamenten (mit Längen, die 50 cm übersteigen). Diese Glasfasern bzw. -filamente sind z.B. derart ausgerichtet, dass sie ein anisotropes Material oder ein Material mot bevorzugter Ausrichtung bilden.
Eine Matte 12 dieser Art wird generell aus einer Spule oder Stratifil (auch „Roving“ genannt) mit durchgehenden Glasfasern hergestellt, die auf einem sich bewegenden Förderband befördert werden. Die Filamente werden z.B. geschnitten, um Fasern zu erhalten, oder in einer Variante im Ist-Zustand belassen. Es ist möglich, eine isotrope Bahn, oder in einer Variante eine Bahn mit bevorzugter Ausrichtung auf der Ebene, herzustellen. Dadurch, dass die Fasern bzw. Filamente auf die Ebene des Förderbands vollkommen ausgerichtet sind und die Kreuzungen der Fasern bzw. Filamente miteinander geregelt werden können, können relativ dichte Matte hergestellt werden, die dabei nur eine geringe Dicke aufweisen.
Jede Bahn 16 ist vorzugsweise eine Faserbahn, die z.B. mit den klassischen Schritten Kardieren, Schlagen, Nadelstich hergestellt wird. Hierbei ist anzumerken, dass das Kardieren die Herstellung eines regelmäßigen, konstanten, beständigen Tuchs durch Parallelisieren und Individualisieren der Fasern beinhaltet. Das Schlagen beinhaltet die Überlagerung beschiedener Tücher bis zur Bildung einer Bahn mit einem vorgegebenen Flächengewicht. Letztlich besteht der Nadelstich darin, dass die Tücher miteinander verbunden werden, indem deren Fasern mittels Nadeln miteinander verflochten werden.
Vorteilhafterweise wird die Bahn 16 im Nadelstichverfahren verdichtet, damit sie eine reduzierte Dicke aufweist und so leicht zu bearbeiten ist. Eine derart reduzierte Dicke vereinfacht außerdem das Schmelzen des Polymers im Erwärmungsschritt, der nachfolgend beschrieben wird.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung einer Heckablage eines Kraftfahrzeug beschrieben.
Das Herstellungsverfahren umfasst das Vorsehen der oben aufgeführten Elemente.
Hierbei werden die Glasfasermatten 12, die thermoplastischen Polymerschichten 14 und die Vliesbahnen 16 z.B. in Form von Rollen bereitgestellt, dann auf ein gewünschtes Format zugeschnitten, das den Dimensionen des herzustellenden Strukturbauteils entspricht.
Das Herstellungsverfahren umfasst anschließend das Zusammenstellen dieser Elemente zur Bildung einer Struktur, wobei die Elemente in der nachfolgenden, in der 1 dargestellten, Reihenfolge aufeinander gestapelt werden: eine der Vliesbahnen 16 (zur Bildung einer oberen Verkleidung), dann eine der Glasfasermatten 12, dann eine der Polymerschichten 14, dann der wabenförmige Abstandhalter 10, dann die andere Polymerschicht 14, dann die andere Glasfasermatte 12, dann die andere Vliesbahn 16 (zur Bildung einer unteren Verkleidung).
Hierbei ist anzumerken, dass die Vliesbahnen 16 nicht unbedingt der gleichen Art sind. Die Vliesbahn 16, die die obere Verkleidung bildet, kann z.B. aus Dilour®, und die Vliesbahn 16, die die untere Verkleidung bildet, kann aus einem Spunbond-Stoff bestehen.
Gemäß einer Variante können zwei Polymerschichten vorgesehen werden, die beiderseits jeder Glasfasermatte angeordnet sind.
Das Herstellungsverfahren beinhaltet das anschließende Erwärmen der Struktur.
Hierzu wird die Struktur in Heizmitteln angeordnet, insbesondere einer Heizanlage, die zwei Heizplatten, jeweils mit Antihaftbeschichtung, umfassen, wobei jede Heizplatte auf eine Temperatur gebracht wird, die mindestens gleich dem Schmelzpunkt des Polymers ist. Die Struktur wird zwischen den Heizplatten angeordnet und mit diesen in Berührung gebracht.
So wird Wärme auf jede Schicht 14 übertragen, was das Schmelzen des Polymers zur Folge hat; das geschmolzene Polymer imprägniert dann die einerseits die entsprechende Glasfasermatte 12 und anderseits den Abstandhalter 10. Hierbei ist anzumerken, dass der von den Heizplatten ausgeübte Druck minimal ist und lediglich der Wärmeübertragung dient.
Hierdurch wird auch das „Verkleben“ der Vliesstoffe ermöglicht. Die Vliesstoffe basieren auf einem Polymer, dessen Schmelzpunkt den des Polymers, aus dem die Verbundstoffmatrix besteht, übersteigt. Wenn z.B. das Polymer der Matrix PP ist, können die Fasern der Vliesstoffe aus PET bestehen. So wird das Erscheinungsbild der Vliesstoffe bei der Zusammenstellung im Formwerkzeug keineswegs beeinflusst.
Jede Matte 12, in der die Glasfasern im Polymer völlig eingetaucht sind, weist zufriedenstellende mechanische Eigenschaften auf.
Der mit dem geschmolzenen Polymer imprägnierte Abstandhalter 10 ist plastisch. Mit anderen Worten lässt er sich auf vollkommen regelbare Art und Weise verformen. So kann die Struktur einer vorgegebenen Form angepasst werden, ohne dadurch den Abstandhalter 10 zu beschädigen.
Anschließend - nachdem das Polymer ganz geschmolzen ist - beinhaltet das Herstellungsverfahren das Thermoformen der Struktur in einem Formwerkzeug 20 bei einer geregelten Temperatur von etwa 20°C.
Ein teil der Struktur wird in der 2 im Formwerkzeug 20 gezeigt. Das Formwerkzeug 20 umfasst zwei Formteile 20A, 20B, die zusammen einen Formraum definieren, in dem die Struktur angeordnet ist.
Auf herkömmliche Art umfasst die Form 20 an jedem Ende (von dem eines in 2 gezeigt ist) einen zugeschnittenen Teil 22, der den Formungsraum abgrenzt und von einem Bereich 24 zum Sammeln der Schnittabfälle umrandet ist.
In dieser Phase des Verfahrens ist das Polymer 14 geschmolzen worden und hat den Abstandhalter 10 sowie die Glasfasermatte 12 imprägniert, obwohl das Polymer 14 in der 2 nicht dargestellt wird. Jede derart mit Polymer imprägnierte Glasfasermatte 12 bildet eine Außenhaut des Strukturbauteils, der mit einer aus einer der Bahnen 16 bestehenden Verkleidung verkleidet ist.
Aufgrund der unbegrenzten Verformbarkeit des mit geschmolzenem Polymer imprägnierten Abstandhalters 10 ist es möglich, der Struktur komplexe Formen zu geben, ohne den Abstandhalter 10 zu beschädigen.
Insbesondere ist es möglich, den Teilen Kanten zu geben, die nicht scharf sind. Tatsächlich kann die Struktur derart ausgestaltet werden, dass die Vliesbahnen 16, die die obere und untere Verkleidung bilden, sowie die Fasermatten 12, an den Kanten verbunden sind. Die Glasfasern sind dann an allen Stellen mit Verkleidungen gedeckt. Außerdem verlaufen die Glasfasern an allen Stellen parallel zur Oberfläche der Struktur, und zwar sogar auf der Unterkante I der Struktur. So bilden die Glasfasern keine Vorsprünge, wie es im Stand der Technik der Fall ist.
Andere vorteilhafte Formen können der Struktur im erfindungsgemäßen Verfahren, das die Herstellung eines plastischen Abstandhalters 10 ermöglicht, gegeben werden.
Es können z.B. an der Grenze der Unterkante I abgerundete Formen II vorgesehen werden; diese abgerundeten Formen II vermeiden die Bildung eines Anschlags auf dieser Ebene. Ein derartiger Anschlag könnte zum Bruch der Matte 12 führen, was das Erscheinen von Glasfaservorsprüngen zur Folge hätte.
Der plastische Abstandhalter 10 ermöglicht auch die Herstellung von Falten der Struktur mit hohen Winkeln III, z.B. bis zu 90 °.
Der plastische Abstandhalter 10 ermöglicht es also, die Struktur ggf. derart auszugestalten, dass sie Reliefs aufweist, die Verstärkungsrippen bilden.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die Herstellung einer Kraftfahrzeug-Heckablage, deren Kanten keine Glasfaservorsprünge aufweisen und nicht scharf sind. Außerdem weist die erfindungsgemäß hergestellte Struktur eine Masse auf, die sogar die Hälfte der Masse einer entsprechenden Sommold-Struktur sein kann und weitaus überlegene mechanische Eigenschaften aufweist.
Zum Schluss ist anzumerken, dass die Kosten einer im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ablage, insbesondere wegen der Gewichtsreduzierung, auf der gleichen Größenordnung liegen wie eine Sommold-Ablage.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Heckablage, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: - Vorsehen folgender Elemente : eines wabenförmigen Abstandhalters (10), zweier Glasfasermatten (12), zweier thermoplastischer Schichten (14) und zweier Vliesbahnen (16), - Zusammenbauen dieser Elemente zu einer Struktur, wobei die Elemente in der nachfolgenden Reihenfolgen aufeinander gestapelt werden: eine der Vliesbahnen (16), dann eine der Glasfasermatten (12), dann eine der Polymerschichten (14), dann der wabenförmige Abstandhalter (10), dann die andere Polymerschicht (14), dann die andere Glasfasermatte (12), dann die andere Vliesbahn (16); - Erwärmen der Struktur mindestens auf einen Schmelzpunkt des Polymers, so dass das geschmolzene Polymer durch die Glasfasermatten (12) hindurch expandiert und den wabenförmigen Abstandhalter (10) ganz imprägniert; gefolgt durch - Thermoformen der Struktur in einer Form (20), wobei das Thermoformen die Verformung des wabenförmigen Abstandhalters (10) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wabenförmige Abstandhalter (10) eine Bienenwabenstruktur (17) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wabenförmige Abstandhalter (10) aus Papier, z.B. Karton, besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polymer eine Viskosität zwischen 40g/10mn und 80g/10mn aufweist, wenn die Temperatur seinen Schmelzpunkt um 10°C übersteigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Polymerschicht (14) eine Dichte zwischen 100 und 300 g/m² aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wabenförmige Abstandhalter (10) eine Dicke zwischen 5 und 10 mm, z.B. im Wesentlichen gleich 6 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Thermoformen auf mindestens einer Kante des Strukturbauteils die Bahnen (16) miteinander verbunden werden und Matten (12) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erwärmen mittels einer Heizanlage erfolgt, die zwei Heizplatten umfasst, zwischen denen die Struktur angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Polymerschicht zwischen jeder Vliesbahn (16) und der entsprechenden Glasfasermatte (12) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei - jede an den Abstandhalter (10) angrenzende Polymerschicht (14) eine Stoffbahn ist und/oder - jede zusätzliche Polymerschicht aus einer Folie besteht.