DE102019109824A1

DE102019109824A1 - Verfahren zur Herstellung eines flächenhaft ausgebildeten Bauelementes

Info

Publication number: DE102019109824A1
Application number: DE102019109824.6A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Parat Beteiligungs GmbH
Current assignee: Parat Technology Group De GmbH
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zur Herstellung eines flächenhaft ausgebildeten Bauelementes (10) in Sandwich-Leichtbauweise mit einer hochwertigen Oberfläche (26).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flächenhaft ausgebildeten Bauelementes in Sandwich-Leichtbauweise mit einer hochwertigen Oberfläche.
Derartige Verfahren werden von der Anmelderin seit Jahrzehnten entwickelt und in großem Umfange durchgeführt.
Lediglich beispielhaft wird verwiesen auf die folgenden deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin:

DE 10 2018 117 337 , DE 10 2017 109 953 , DE 10 2016 112 290 A1 , DE 10 2013 018 694 A1 , DE 10 2013 008 592 A1 , DE 10 2013 005 523 A1 , DE 10 2013 008 364 A1 , DE 10 2015 111 052 A1 sowie DE 10 2012 017 698 A1 ,
deren Inhalt hiermit in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung zur Vermeidung von Wiederholungen miteingeschlossen wird.

Die Anmelderin ist darüber hinaus noch Inhaberin der deutschen Patentanmeldung DE10 2018 123 703.0 .
Die von der Anmelderin bislang überwiegend angewandten Verfahren zur Herstellung eines solchen flächenhaft ausgebildeten Bauelementes umfassen insbesondere Verbindungen von thermoplastischen tiefgezogenen Folien mit Polyurethan-Schaummassen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein flächenhaftes Bauelement gefertigt werden kann, welches den Anforderungen an ein geringes Gewicht und eine hohe Steifigkeit gerecht wird, und preisgünstig gefertigt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Das Prinzip der Erfindung besteht zunächst darin, anstelle der bislang verwendeten Polyurethan-Zweikomponentenschäume einen expandierbaren Partikelschaum einzusetzen.
Als geeignete expandierbare Partikelschäume kommen beispielsweise Partikelschäume aus EPS, EPE und EPP infrage. Es handelt sich hier um Partikelschäume, die im voll oder endfertig ausgeschäumten und ausgehärteten Zustand Dichten im Bereich von typischerweise 15 kg/m³ bis 80 kg/m³ aufweisen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass granulares Ausgangsmaterial in Form von losen Partikeln eines aufschäumbaren Partikelschaums bereitgestellt wird. Infrage kommen also solche Materialien, die als expandierbare Partikelschäume bekannt sind. Insbesondere versteht man hierunter expandierbare Partikelschäume aus EPS, EPE, oder EPP, oder auch expandierbares PEEK. Eine weitere Definition erfolgt weiter unten.
Das granulare Ausgangsmaterial kann in der verwendeten Form von kleinen Kügelchen oder Perlen, oder in Form von granulären Partikeln anderer regelmäßiger oder auch unregelmäßiger Form und Geometrie bereitgestellt werden. Das Ausgangsmaterial ist insbesondere schüttbar.
Die Partikel sind in dem granularen Ausgangsmaterial lose vorhanden, d. h. insbesondere noch nicht fest miteinander verbunden.
Gemäß einer Variante der Erfindung erfolgt nun der Schritt eines teilweisen Aufschäumens der Partikel. Das teilweise Aufschäumen bedeutet, dass die Partikel noch nicht vollständig aufgeschäumt werden. Beispielsweise kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass bezogen auf einen Aufschäum- oder Expansionsvorgang von 0 bis 100% ausgehend vom Volumen der Partikel des Ausgangsmaterials bis zu dem Volumen der Partikel im endfertig geschäumten Zustand, ein teilweises Aufschäumen zwischen 30 und 95% stattfindet. Der Begriff teilweises Aufschäumen umfasst insbesondere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen zumindest der Schritt eines zusätzlichen Aufschäumens der Partikel noch durchgeführt werden kann, hin zu einem endaufgeschäumten Zustand der Partikel.
Der Schritt des teilweisen Aufschäumens erfolgt insbesondere - aber nicht zwingend - an einem Ort, der sich entfernt von dem Unterwerkzeug befindet. Weiter vorteilhafterweise kann das teilweise Aufschäumen der Partikel in einem Ofen, insbesondere in einem Infrarot-Backofen, durchgeführt werden.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung werden die Partikel vollständig aufgeschäumt.
Beiden zuvor beschriebenen Varianten ist gemeinsam, dass die aufgeschäumten Partikel, also die teilweise oder vollständig aufgeschäumten Partikel, nun in das Unterwerkzeug verbracht werden.
Der Transport der teilweise aufgeschäumten Partikel kann beispielsweise zeitlich unmittelbar nach der Durchführung des Schrittes des teilweisen oder vollständigen Aufschäumens der Partikel durchgeführt werden. Er kann aber auch zeitlich deutlich später nach Durchführung des Schrittes des teilweisen oder vollständigen Aufschäumens der Partikel durchgeführt werden.
Ein Verbringen und/oder ein Anordnen oder Positionieren der teilweise oder vollständig aufgeschäumten Partikel in das Unterwerkzeug kann maschinell, automatisiert, oder händisch erfolgen.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in das Unterwerkzeug zuvor eine Lackschicht eingebracht worden. Eine Aufbringung der Lackschicht in das Unterwerkzeug kann beispielsweise durch Gießen, beispielsweise manuell oder automatisiert, aber auch durch Sprühen, Spritzen, Vernebelung oder durch eine andere geeignete Art erfolgen. Vorteilhafterweise werden sämtliche Abschnitte oder Bereiche des Unterwerkzeugs mit der Lackschicht benetzt, die später an dem zu fertigenden Bauelement eine lackierte Oberfläche bereitstellen sollen.
Als Vergussmasse für die aufzutragende Lackschicht kommen beliebige geeignete Materialien in Betracht.
Insbesondere kann die Lackschicht von einer alliphatischen, insbesondere aufschäumbaren und aushärtbaren, Polyurethan-Vergussmasse bereitgestellt werden. Als alliphatische Polyurethan-Vergussmasse werden all diejenigen Zweikomponenten-PolyurethanSysteme, also Polyurethan-Vergussmassen, verstanden, die aus wenigstens einer Polyol-Komponente und wenigstens einer IsocyanatKomponente bestehen, und die UV-beständig sind. Alliphatische Polyurethan-Vergussmassen sind also gerade keine aromatischen Polyurethan-Massen, deren UV-Beständigkeit nicht gewährleistet werden kann.
Vorzugsweise kommt als geeignete flüssige alliphatische Polyurethan-Vergussmasse zur Bereitstellung einer Lackschicht im Sinne des Anspruches 1 ein von der Firma Rühl Puromer GmbH mit Sitz in Friedrichsdorf unter der Bezeichnung Clearcoat erhältliches Material in Betracht.
Alternativ zu einer aufschäumbaren Polyurethan-Masse kann im Rahmen der Erfindung auch eine kompakte, das heißt nicht oder im Wesentlichen nicht aufschäumbare Polyurethan-Vergussmasse verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Vergussmasse unter hohem Druck in die Form eingebracht wird.
Nach dem Einbringen der flüssigen Polyurethan-Vergussmasse in die Form lässt man diese gemäß einer Variante der Erfindung aushärten.
Der Prozess des Einbringens der Lackschicht, insbesondere einer Vergussmasse, in die Form, kann auch als Fluten oder als Flutung der Werkzeugform bezeichnet werden, da sämtliche Bereiche des Werkzeugunterteils, beispielsweise eine Bodenseite des Werkzeugunterteils, also des Unterwerkzeugs, aber beispielsweise auch Seitenwandbereiche und beispielsweise auch sich an die Seitenwandbereiche anschließende weitere Randbereiche des Werkzeugunterteils, vollständig mit Vergussmasse überflutet oder benetzt werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden die aufgeschäumten Partikel, die immer noch als Granulat vorliegen, also als lose, nicht miteinander verbundene Körper, in das Unterwerkzeug erst eingebracht, wenn die Lackschicht ausgehärtet ist. Sodann findet der Schritt des Verbackens statt, derart, dass die aufgeschäumten Partikel miteinander versintern, und zueinander, zugleich aber auch zu der ausgehärteten Lackschicht, eine feste Verbindung eingehen.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden die aufgeschäumten Partikel in das Unterwerkzeug eingebracht, zu einem Zeitpunkt, zu dem die Lackschicht noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Hier erfolgt bei temperiertem, also geheiztem, Werkzeug der Prozess des Verbackens der aufgeschäumten Partikel miteinander und mit der Lackschicht zeitgleich bzw. ineinander übergehend mit dem Schritt des Aushärtens der Lackschicht.
Gemäß der Erfindung wird nun das Werkzeug für die Durchführung des Schrittes vi) des Verbackens insbesondere geschlossen. Hierzu kann beispielsweise ein Oberwerkzeug gegen das Unterwerkzeug fahren und einen Aufnahmeraum oder Unterbringungsraum für die aufgeschäumten Partikel - sowie für die in dem Unterwerkzeug befindliche Lackschicht - verschließen.
Gemäß der Erfindung wird des Weiteren das Werkzeug geheizt. Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn das Werkzeug ständig bei einer konstanten Temperatur oder bei einer Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs gehalten wird.
Gemäß einer Variante der Erfindung erfolgt sodann ein Endaufschäumen der zuvor bereits teilweise aufgeschäumten Partikel zu einem vollständig aufgeschäumten Partikelschaum. Die Partikel dehnen sich nun auf ihren maximalen Umfang bzw. auf ihr maximales Volumen aus, und verbacken oder versintern sozusagen miteinander. Dabei verbindet sich die Partikelschaummasse zugleich mit der Lackschicht. Die Aktivierung des Rest- Aufschäumvorgangs erfolgt über die Werkzeugtemperatur. Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn zusätzlich oder alternativ andere Aktivierungsmittel zur Aktivierung und zur Durchführung des Rest-Aufschäumvorgangs der Partikel, also für den Aufschäumvorgang der bereits teilweise aufgeschäumten Partikel bis hin zu einem endaufgeschäumten Zustand der Partikel, verwendet werden.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung verbacken die aufgeschäumten Partikel miteinander, ohne dass eine Volumenvergrößerung eintritt.
Gemäß der Erfindung erfolgt sodann ein Aushärtenlassen der Partikelschaummasse. Infolge dieses Aushärtevorgangs geht die Partikelschaummasse mit der Lackschicht eine dauerhafte, feste Verbindung ein.
Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn die Lackschicht auf ihrer der Partikelschaummasse zugewandten Innenseite vor dem Verbringen der aufgeschäumten Partikel in das Unterwerkzeug, ggf. auch erst nach dem Aushärten der Lackschicht, mit einer entsprechenden Chemikalie, z. B. nach Art eines Haftgrundes, versehen wird, um die Verbindung zwischen der Lackschicht und der Partikelschaummasse bzw. das Eingehen der Verbindung zwischen der Lackschicht und der Partikelschaummasse zu optimieren.
Nach dem Aushärtenlassen der Partikelschaummasse kann das Werkzeug geöffnet und der so gebildete Formling entnommen werden. Der so gebildete Formling stellt das erfindungsgemäß zu fertigende Bauelement dar, oder kann durch nachfolgende Bearbeitungsschritte zu einem solchen Bauelement heranreifen.
Definition expandierbarer Partikelschaum:
Als expandierbare Partikelschäume im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung werden beispielsweise folgende Materialien angesehen:
Unter der Abkürzung EPS wird expandierbares Polystyrol bezeichnet. Dieses ist beispielsweise unter der Markenbezeichnung Styropor bekannt, und kann z. B. von der Firma Metz EPS-Hartschaumzuschnitte in 74376 Gemmrigheim bezogen werden.
Als Partikelschaum im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung werden auch expandierbare Polyethylene (EPE) angesehen. Schließlich werden auch expandierbare Polypropylene (EPP) für die erfindungsgemäßen Zwecke als gut geeignet angesehen.
Insbesondere sind von dem Begriff Partikelschaum im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung thermoplastische Partikelschäume umfasst. Diese können als Ausgangsmaterial Granulat, insbesondere auch Microgranulat, beispielsweise mit Durchmessern der Partikel in der Größenordnung von zwischen 0,1 mm und 5 mm aufweisen, weiter vorzugsweise Partikel mit einem Durchmesser von ca. 1 mm.
In den granularen Ausgangsmaterial-Partikeln des Partikelschaums sind vorzugsweise Treibmittel angeordnet. Diese können thermisch und/oder durch Chemikalien, beispielsweise auch durch Einwirkung von Wasserdampf, aktiviert werden, um den Schäumprozess auszulösen.
Der Vorgang des Verbackens geschäumter Partikel miteinander wird im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung auch als Versintern bezeichnet.
Als Treibmittel kommt für Polystyrol-Partikelschaum-Partikel beispielsweise Pentan in Betracht, das in die granularen Partikel einpolymerisiert ist. Sobald die Partikel Temperaturen von über 100°C ausgesetzt werden, kann das Treibmittel verdampfen und bläht dabei das thermoplastische Grundmaterial zu Polystyrol-Schaumpartikeln auf.
Die zweite Aufschäumstufe kann - soweit vorgesehen - erfindungsgemäß im Unterwerkzeug erfolgen, wobei die Werkzeugtemperatur so gewählt wird, dass das Treibmittel endausdampfen kann, und die Partikel endausschäumen können.
Neben EPS (extrudierbares Polystyrol) kommt für die Erfindung auch XPS in Betracht.
Als Bezugsquelle für expandierbares Polypropylen EPP bzw. XPS kommt beispielsweise die Firma Schaumaplast GmbH & Co. KG in 68799 Reilingen in Betracht.
Partikelschäume zum Einsatz mit der Erfindung können auch von expandierbaren Co-Polymeren bereitgestellt werden. Derartige Materialien sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Grupor von dem Kunststoffwerk Katzbach GmbH & Co. KG in 93413 Cham beziehbar.
Als Ausgangsmaterial des im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Partikelschaums kommt auch expandierbares PEEK (Polyetheretherketon) in Betracht. Dieses ist beispielsweise unter den Handelsnamen Gatone oder Victrex beziehbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Bauelementes mit einer hochwertigen Oberfläche. Eine hochwertige Oberfläche kann beispielsweise besonders belastbar, z. B. in besonderem Maße schlagzäh ausgebildet sein, und weiter insbesondere für Außenanwendungen geeignet sein. Insbesondere kann eine hochwertige Oberfläche Eigenschaften aufweisen, wie sich bei sogenannten Class-A-Oberflächen gefordert sind.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines flächenhaft ausgebildeten Bauelementes. Der Begriff flächenhaft bedeutet, dass sich das Bauelement entlang einer Fläche in x- und y-Richtung erheblich länger erstreckt, als in einer senkrecht dazu stehenden z-Richtung. Die Fläche kann eben oder im Raum gekrümmt, auch mehrfach gekrümmt, ausgebildet sein, und jegliche beliebige Raumform einnehmen.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird zunächst ein Formling hergestellt, gemäß der Schritte i) bis vii) des Anspruches 1, ohne dass zuvor in das Unterwerkzeug eine Lackschicht eingebracht worden ist.
Der fertig hergestellte Formling wird sodann aus dem Werkzeug entnommen und erst später wieder in dasselbe Werkzeug oder in ein anderes Werkzeug verbracht, welches gleichermaßen ein Unterwerkzeug aufweist.
Dieses Unterwerkzeug wird - vor dem Einbringen oder Wieder-Einbringen des Formlings - mit einer Lackschicht innenseitig benetzt oder geflutet. Sodann wird der Formling in das Unterwerkzeug eingebracht und bei geschlossenem Werkzeug kann die Lackschicht aushärten, gegebenenfalls auch aufschäumen, und mit der ausgehärteten Partikelschaummasse des Formlings eine feste Verbindung eingehen. Auch in Folge der Durchführung dieses Verfahrens kann ein Bauelement mit einer qualitativ sehr hochwertigen Oberfläche gefertigt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchführung des Schrittes ix) vorgesehen: Anbringen einer Deckschicht an der der Lackschicht abgewandten Seite der Partikelschaummasse. Eine solche Deckschicht kann beispielsweise eine Innendekorschicht, beispielsweise eine Wandtäfelung, insbesondere eine Kunststoffschicht sein. Für den Fall, dass das gefertigte Bauelement z. B. eine Wand oder einen Wandungsabschnitt eines Caravans oder eines Caravan-Anhängers ausbildet, kann die Dekorschicht z. B. eine typische Innenausstattungsfläche eines solchen Caravans nach herkömmlicher Art und Weise sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Schritt:

x) Bearbeiten des Formlings zu einem Bauelement.

Als Bearbeitungsschritte kommen diverse Bearbeitungsverfahren in Betracht. Hierzu gehört beispielsweise bedarfsweise ein Trennen oder Abtrennen von Teilen oder Bereichen des Formlings, ggf. auch ein Abtrennen oder Trennen von Abschnitten des Substrats. Hierzu gehört z. B. auch ein Schritt des Reinigens, und/oder ein Schritt einer Oberflächenbearbeitung, insbesondere an der Außenseite des Substrats, beispielsweise ein Aufrauen oder Polieren oder Glätten der Oberfläche, ggf. auch das Anbringen einer zusätzlichen Schicht oder Folie, beispielsweise einer zusätzlichen Funktionsschicht.
Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn eine der Lackschicht abgewandte Seite der ausgehärteten Partikelschaummasse bearbeitet wird, beispielsweise mit einer zusätzlichen Haut oder einem zusätzlichen Material oder einer Folie verbunden oder beaufschlagt, z. B. besprüht, beklebt, lackiert, vernietet, verschraubt oder mit einem anderen Element verklebt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die ausgehärtete Partikelschaummasse eine Wandstärke zwischen 1 cm und 30 cm. In Abhängigkeit von den geforderten Festigkeiten des angefertigten Bauelementes wird die Wandstärke der ausgehärteten Partikelschaummasse berechnet und ausgelegt. Trotz der verhältnismäßig großen Wandstärken kann das endgefertigte Bauelement ein nur sehr geringes Gewicht aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauelement als ein Fahrzeugteil für ein Kfz, oder für ein Nutzfahrzeug, oder für ein Caravan-Fahrzeug ausgebildet, und ist beispielsweise ein Innenausstattungsteil, oder eine Laderaumabdeckung, oder ein Verkleidungsteil, oder eine Motorhaube, oder ein Dachelement, oder ein Dachsegment, oder eine Fahrzeugwand, oder ein Fahrzeugwandelement.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das granulare Ausgangsmaterial expandierbares EPS, expandierbares EPP oder expandierbares PEEK. Es handelt sich hier sämtlich um Materialien, die aufschäumbar, d. h. expandierbar sind, und die sich gemäß einer Variante der Erfindung dazu eignen, zunächst nur teilweise aufgeschäumt oder expandiert zu werden, um nachfolgend noch einen Schritt der Endausschäumung oder Endexpansion in einem Werkzeug zu durchlaufen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt xi), der vor dem Schritt vi) durchgeführt wird:

xi) Positionieren von Verstärkungselementen, insbesondere nach Art von Zugankern, beispielweise nach Art von Tapes, in dem Unterwerkzeug, wobei nach dem Verbringen der teilweise aufgeschäumten Partikel in das Unterwerkzeug die Partikel die Verstärkungselemente umhüllen.

Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die endaufgeschäumte, expandierte Partikelschaummasse durch Verstärkungselemente verstärkt oder versteift. Diese sind insbesondere so ausgebildet, dass sie Zugkräfte in einer Richtung quer zur flächenhaften Erstreckung des Bauelementes übertragen können. Hierdurch kann die Steifigkeit des Bauelementes erhöht werden. Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn sich die Verstärkungselemente entlang der Erstreckungsrichtung des flächenhaft ausgebildeten Bauelementes erstrecken. Dabei können beispielsweise auch flächenhafte Gebilde wie Matten, Gelege, Gewirke etc. aus Verstärkungsfasern, beispielsweise aus Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder anderen geeigneten Verstärkungsfasern, in das Unterwerkzeug vor dem Verfüllen in den Unterbringungsraum mit aufgeschäumten Partikeln eingelegt werden.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt ein flächenhaft ausgebildetes Bauelement nach Anspruch 10.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement anzugeben, welches bei nur geringem Gewicht eine hohe Festigkeit und Tragfähigkeit aufweist, und preisgünstig fertigbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 10.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich der Erklärung und Erläuterung der Merkmale des Anspruches 10 sowie zur Erläuterung der Erfindung nach Anspruch 10 auf die vorherigen Ausführungen zu den Ansprüchen 1 bis 9 in analoger Weise verwiesen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nicht zitierten Unteransprüchen, sowie anhand der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Darin zeigen:

1 in einer teilgeschnittenen schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Ofens, in welchen granulares Ausgangsmaterial in Form von Partikeln eines Partikelschaumes eingefüllt wird, wobei das granulare Ausgangsmaterial ungeschäumt ist,
2 den Ofen der 1 mit einer zusätzlich dargestellten Infrarot-Strahlungsheizung, wobei die zuvor eingefüllten Partikel in einen teilaufgeschäumten Zustand überführt worden sind,
3 in schematischer Darstellung ein Werkzeug mit Unterwerkzeug und Oberwerkzeug in geöffnetem Zustand, wobei eine Lackschicht aus einem Behälter gegossen wird, und in das Unterwerkzeug eingebracht wird, um dieses innenseitig möglichst vollflächig zu benetzen,
4 das geöffnete Werkzeug der 3 mit verteilter und ausgehärteter Lackschicht,
5 das Werkzeug der 4, wobei in das Unterwerkzeug unter Beaufschlagung der vollständig oder teilweise ausgehärteten Lackschicht, die aufgeschäumten Partikel des Partikelschaums gemäß 2 eingefüllt werden,
6 das Werkzeug der 5 mit zusätzlich dargestelltem Oberwerkzeug kurz vor dem vollständigen Schließen des Werkzeugs,
7 das Werkzeug der 6 in vollständig geschlossenem Zustand, wobei zusätzlich eine Heizeinrichtung für das Werkzeug dargestellt ist,
8 das Werkzeug der 7 in geöffnetem Zustand bei endaufgeschäumter ausgehärteter Partikelschaummasse,
9 den aus dem Werkzeug der 8 entnommenen Formling unter Andeutung von Trennlinien, entlang derer Überstandsbereiche der Lackschicht und ggf. der ausgehärteten Partikelschaummasse getrennt werden,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formlings bzw. eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten erfindungsgemäßen Bauelementes mit einer zusätzlichen Schicht auf der der Lackschicht abgewandten Seite der ausgehärteten Partikelschaummasse,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelementes in einer Darstellung gemäß 10, wobei lediglich zu Illustrationszwecken die Porenstruktur des ausgehärteten Partikelschaumes in einer gegenüber 10 geänderten Weise dargestellt ist,
12 einen Formling in einer Darstellung gemäß 9, wobei die Herstellung des Formlings entsprechend der Verfahrensschritte in Analogie zu der Darstellung der 1 bis 7 erfolgt ist, dabei aber von der Durchführung des Schrittes des Einbringens einer Lackschicht in das Unterwerkzeug abgesehen wurde, so dass der Formling der 12 keine Lackschicht aufweist, und
13 ein weiteres Werkzeug in einer Darstellung vergleichbar der 3, wobei zusätzlich der Formling der 12 dargestellt ist, und veranschaulicht wird, dass in das Unterwerkzeug eine Lackschicht eingebracht wird, und erst nach teilweisem oder vollständigem Aushärten der Lackschicht der Formling in das Unterwerkzeug eingebracht wird, und sodann das Werkzeug geschlossen werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung, auch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, beispielhaft beschrieben. Dabei werden der Übersichtlichkeit halber - auch soweit unterschiedliche Ausführungsbespiele betroffen sind - gleiche oder vergleichbare Teile oder Elemente oder Bereiche mit gleichen Bezugszeichen, teilweise unter Hinzufügung kleiner Buchstaben, bezeichnet.
Merkmale, die nur in Bezug zu einem Ausführungsbeispiel beschrieben, dargestellt oder offenbart sind, können im Rahmen der Erfindung auch bei jedem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen werden. Derartig geänderte Ausführungsbeispiele sind - auch wenn sie in den Zeichnungen nicht dargestellt sind - von der Erfindung mit umfasst.
Alle offenbarten Merkmale sind für sich erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) sowie der zitierten Druckschriften und der beschriebenen Vorrichtungen des Standes der Technik inhaltlich vollumfänglich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, einzelne oder mehrere Merkmale der dort offenbarten Gegenstände in einen oder in mehrere Ansprüche der vorliegenden Anmeldung mit aufzunehmen. Auch solche geänderten Ausführungsbeispiele sind - auch wenn sie in den Zeichnungen nicht dargestellt sind - von der Erfindung mit umfasst.
Ausführungsbeispiele von Bauelementen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt worden sind, sind in den 8, 9, 10 und 11 in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet.
Im Folgenden soll ausgehend von 1 das Verfahren zur Fertigung eines solchen Bauelementes 10 vorgestellt werden:

Ausweislich 1 ist ein Behältnis 12 dargestellt, in welches ein Granulat 11 eines Partikelschaumes eingefüllt wird. Die einzelnen Granulatpartikel, die beispielhaft mit den Bezugszeichen 30a, 30b, 30c bezeichnet sind, sind ungeschäumt, und stellen das Ausgangsmaterial zur Fertigung eines Partikelschaumes dar. Auf die einzelnen Materialien, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, wird später noch detailliert eingegangen.
Ausweislich 2 ist das Behältnis 12 Bestandteil eines Ofens 13, in dem die Granulatpartikel 30a, 30b, 30c teilweise aufgeschäumt werden können:

Hierzu ist eine Heizung 14, insbesondere eine Infrarotheizung 14, vorgesehen, die unter Verwendung von Infrarotstrahlen 15 (angedeutet) in den Ofen 13 eine vorherbestimmte Strahlungsleistung einbringt, um eine bestimmte Temperatur oder einen bestimmten Temperaturbereich zu erreichen. Die Granulatpartikel 30a, 30b, 30c werden in dem Ofen 13 der Temperatureinwirkung für eine vorherbestimmte Zeit ausgesetzt und schäumen teilweise oder vollständig auf. Man erkennt, dass die einzelnen Partikel 30a, 30b, 30c der 1 erheblich an Volumen gewinnen und gemäß 2 zu aufgeschäumten Partikeln 31a, 31b, 31c mutieren.
Angemerkt sei, dass die Figuren selbstverständlich nicht maßstäblich zu verstehen sind, sondern dass nur beispielhaft der Vorgang des Aufschäumens und die Volumenvergrößerungen dargestellt werden sollen.
Die aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c sind noch immer lose, insbesondere nicht miteinander verbunden. Während des Prozesses des Aufschäumens gemäß 2 kann durch zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise Rütteln des Behältnisses 12, Rühren, Verwendung von Chemikalien, oder Einbringen von Chemikalien in das Behältnis 12 etc. erreicht werden, dass die Partikel 31a, 31b, 31c sich nicht miteinander verbinden oder sich nicht überwiegend miteinander verbinden, sondern noch als lose, schüttfähige oder zumindest gießfähige Masse transportierbar sind. Diese Masse wird ausweislich 5 in das Unterwerkzeug 23 eines Werkzeuges 17b eingefüllt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass von der Erfindung auch Verfahren und danach hergestellte Bauteile umfasst sind, bei denen die in ein Unterwerkzeug einzubringenden aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c bereist endaufgeschäumt sind und später keine weitere zusätzliche Aufschäumung und Volumenvergrößerung mehr erfahren.
Im Weiteren soll anhand der 3 bis 4 nun das Einbringen der Lackschicht erläutert werden:

Ausweislich 3 wird bei geöffnetem Werkzeug 17 und voneinander beabstandeten Unterwerkzeug 19, 23 und Oberwerkzeug 18, 24 eine Lackschicht 37 in das Unterwerkzeug 23 eingebracht.

4 verdeutlicht ein Behältnis 38, aus dem die flüssige Gießmasse, die eine Lackschicht 37 ausbildet, gegossen oder geschüttet wird. Das Gießen kann manuell, maschinell oder automatisiert erfolgen. Anstelle eines Gießens kann auch ein Sprühen, ein Einspritzen, ein Vernebeln oder eine andere geeignete Einbringungsart der Lackmasse 37 vorgenommen werden.
Angemerkt sei an dieser Stelle, dass als Lackschicht 37 der vorliegenden Patentanmeldung jede flüssige aushärtbare Lackmasse verstanden wird.
4 zeigt einen Zustand, in dem die Lackschicht 37 entlang der gesamten Innenfläche des Unterwerkzeugs 19, 23 homogen verteilt angeordnet ist. Die ausgehärtete Lackschicht wird mit 21 bezeichnet. Sie kann vor dem Einbringen der aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c vollständig aushärten oder teilweise aushärten.
Ausweislich 5 weist das Unterwerkzeug 23 einen Unterbringungsraum 22 auf, der zur Aufnahme der teilweise oder vollständig aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c, dient. In diesen Unterbringungsraum 23 hinein wird die schüttbare oder gießbare Masse aus granularen, aufgeschäumten Partikeln 31a, 31b, 31c verbracht. Ein Befüllen des Unterwerkzeugs 23 bzw. des dafür vorgesehenen Unterbringungsraumes 22, kann manuell oder maschinell oder maschinenunterstützt erfolgen, bis ein vorgegebenes Volumen oder eine vorgegebene Masse aufgeschäumter Partikel 31a, 31b, 31c in dem Unterbringungsraum 22 positioniert und insbesondere auch verteilt ist.
Hierbei kann eine in den Figuren nicht dargestellte Austragungs- oder Ausbringungsvorrichtung vorgesehen sein, die nach Art eines Zuführkopfes die Partikel 31a, 31b, 31c entlang des Unterbringungsraumes 22 gleichmäßig verteilt.
Sodann wird das Werkzeug 17b geschlossen. Hierzu wird ein Oberwerkzeug 24 ausgehend von einem Zustand gemäß 6, in dem das Werkzeug 17b noch teilweise geöffnet ist, in einen Schließzustand verfahren. Der Unterbringungsraum 22 ist nun allseitig geschlossen.
7 deutet eine Heizung 25 an, die das Werkzeug 17b, vorzugsweise sowohl Unterwerkzeug 23 als auch Oberwerkzeug 24, temperiert. Die Werkzeugtemperatur wird entsprechend der verwendeten Materialien für den Partikelschaum gewählt.
Infolge der Temperatureinwirkung werden die teilweise aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c vollständig aufgeschäumt und miteinander verbacken. Soweit die Partikel 31a, 31b, 31c gemäß 5 bereits vollständig aufgeschäumt sind, findet nur der Prozess des Verbackens statt. Man erkennt - lediglich beispielhaft angedeutet in 8 - eine Wabenstruktur. Dies ist ebenfalls nur schematisch zu verstehen: tatsächlich wird die Struktur des vollständig aufgeschäumten Partikelschaums unregelmäßig ausgebildet sein. Eine andere vergleichbare Struktur zeigt 11:

Hier ist anstelle der Rahmenstruktur der 8 eine unregelmäßige, polygonartige Struktur in der schematischen Schnittdarstellung gezeigt.

8 macht deutlich, dass im Falle der Verwendung teilweise aufgeschäumter Partikel 31a, 31b, 31c diese gemäß 7 zu vollständig aufgeschäumten Partikeln 32a, 32b, 32c mutieren. Im Zuge des Verbackens wird erreicht, dass zwischen einzelnen aufgeschäumten Partikeln 32a, 32b, 32c keine Freiräume mehr verbleiben. 7 deutet derartige Freiräume, beispielhaft bezeichnet mit 36, dagegen noch an.
Angemerkt sei, dass die Bezeichnung „vollständig aufgeschäumter Partikel 32a, 32b, 32c“ irreführend ist:

Tatsächlich bildet die Vielzahl der vollständig aufgeschäumten Partikel 32a, 32b, 32c insgesamt eine vollständig aufgeschäumte Partikelschaummasse 33 oder einen vollständig aufgeschäumten Partikelschaum. Dieser kann ausweislich 8 auch innerhalb kurzer Zeit aushärten, so dass - wie 8 andeutet - das Werkzeug geöffnet, und das Oberwerkzeug 24 von dem Unterwerkzeug 23 abgehoben werden kann. Nun kann der so gebildete Formling 10 aus der Werkzeugform entnommen werden.

Infolge des Prozesses des Verbackens bei geschlossenem Werkzeug, verbindet sich der Partikelschaum dauerhaft und fest mit der Innenseite 35 der Lackschicht 21. Hierdurch wird ein leichtes, biegesteifes und tragfähiges und doch preiswert herstellbares Verbundbauteil mit einer äußert hochwertigen Oberfläche bereitgestellt.
Ausweislich 9 können bei Bedarf Überstandsbereiche 34a, 34b der Lackschicht 21 und/oder nicht dargestellte Überstandsbereiche der Schaummasse entlang der Trennlinien 29a, 29b abgetrennt werden.
Das Ausführungsbeispiel der 10 zeigt die Rückseite 27 des Bauelementes 10, die mit einer zusätzlichen Schicht 28, z. B. aus Kunststoff, versehen werden kann.
Die Seite 26 der Lackschicht 21, die der ausgehärteten Partikelschaummasse 33 abgewandt ist, kann eine hochwertige Oberfläche ausbilden.
Von der Erfindung ist auch umfasst, wenn die Oberfläche 26 der Lackschicht 21 einer gesonderten Bearbeitung unterzogen wird, um eine hochwertige Oberfläche bereitzustellen. So können beispielweise Bearbeitungsschritte wie Polieren, Lackieren, Bedampfen, Aufrauen, Benetzen etc. in Betracht kommen.
In 8 sind beispielhaft die Wandstärken W1 der Lackschicht 21 und W2, nämlich die Wandstärke der ausgehärteten Partikelschaummasse 33 angedeutet. Die Wandstärke W1 kann zwischen 0,2 mm und 13 mm betragen, und die Wandstärke W2 zwischen 1 cm und 30 cm.
Von der Erfindung sind insbesondere Bauteile umfasst, die als Caravan-Wandelemente ausgebildet sind. Beispielsweise können Wandabschnitte eines Caravan-Anhängers oder eines Caravans, oder vollständige Wandelemente eines Caravans, im Fahrzeugbau verwendet werden, unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Von der Erfindung sind weiter Ausführungsformen umfasst, die vorsehen, dass vor dem Befüllen des Unterbringungsraums 22 mit aufgeschäumten Partikeln 31a, 31b, 31c Verstärkungselemente in dem Unterbringungsraum 22 untergebracht werden.
Die in den Figuren nicht dargestellten Verstärkungselemente können z. B. Verstärkungsfasern aufweisen. Infolge des Befüllens des Unterbringungsraums 22 mit aufgeschäumten Partikeln 31a, 31b, 31c werden die Partikel gleich verteilt und umhüllen die Verstärkungselemente mehrseitig, vorzugsweise allseitig. Das fertig hergestellte Bauelement 10 umfasst eine ausgehärtete Partikelschaummasse, die die Verstärkungselemente sicher umschließt. Durch Positionierung der Verstärkungselemente können so insbesondere Zugkräfte übertragen und abgefangen werden.
Gemäß des Ausführungsbeispiels der 12 kann bei einer Variante des Verfahrens zunächst ein Formling 10 hergestellt werden, wobei die aufgeschäumten Partikel 31a, 31b, 31c unmittelbar in das Unterwerkzeug 23 eingebracht werden, ohne dass zuvor eine Lackmasse oder Lackschicht 37 in das Unterwerkzeug 23 eingebracht wurde: 12 zeigt insoweit den fertig hergestellten Formling 10 aus einer ausgehärteten Partikelschaummasse ohne jegliche Lackschicht, also sozusagen nackt.
Gemäß 13 wird in ein Werkzeug 17c, welches wiederum ein Unterwerkzeug 23 und ein Oberwerkzeug 24 aufweist, nun eine Lackmasse 37, z. B. wiederum aus einem Behältnis gegossen, eingebracht. Die flüssige Lackmasse 37 verteilt sich entlang der Innenflächen des Unterwerkzeugs 23. Nach vollständigem Aushärten oder teilweisem Aushärten der Lackschicht 21, 37 wird der Formling 10 gemäß 12 in das Unterwerkzeug 23 eingesetzt und sodann das Werkzeug 17c vollständig geschlossen.
Auch dieses Werkzeug 17c kann temperiert sein. Entsprechend einer Wahl der Werkzeugtemperatur, der Schließzeit, des Schließdrucks und der Vergussmasse zur Herstellung der Lackschicht, kann die Lackschicht 21 mit dem Formling 10 eine dauerhafte, feste Verbindung eingehen.
Dem Aushärten der Lackmasse und nach dem Aushärten des Verbindungsbereiches zwischen Lackschicht 21 und Formling 10 kann das Werkzeug 17c geöffnet werden und das so gebildete Bauelement 10 aus dem Werkzeug entnommen werden. Das so gebildete Bauelement 10 entspricht dem Bauelement der 9.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018117337 [0003]
DE 102017109953 [0003]
DE 102016112290 A1 [0003]
DE 102013018694 A1 [0003]
DE 102013008592 A1 [0003]
DE 102013005523 A1 [0003]
DE 102013008364 A1 [0003]
DE 102015111052 A1 [0003]
DE 102012017698 A1 [0003]
DE 102018123703 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines flächenhaft ausgebildeten Bauelementes (10) in Sandwich-Leichtbauweise mit einer hochwertigen Oberfläche (26), umfassend die folgenden Schritte: i) Bereitstellen von granularem Ausgangsmaterial in Form von losen Partikeln (30a, 30b, 30c) eines aufschäumbaren Partikelschaumes, wie EPS, EPE oder PEEK, ii) Aufschäumen der Partikel (30a, 30b, 30c), insbesondere in einem Infrarot-Backofen, iii) Verbringen der aufgeschäumten Partikel (31a, 31b, 31c) in ein Unterwerkzeug (23) eines Werkzeugs 17b), und Anordnen der aufgeschäumten Partikel (31a, 31b, 31c) in einen Unterbringungsraum (22) in dem Unterwerkzeug (23), iv) insbesondere Schließen des Werkzeuges (17b), v) insbesondere Heizen des Werkzeuges (17b), vi) Verbacken der aufgeschäumten Partikel (31a, 31b, 31c) zu einem homogenen aushärtbaren Partikelschaum (33), vii) Aushärtenlassen des Partikelschaums (33), viii) insbesondere Öffnen des Werkzeuges (17b) und Entnehmen des so gebildeten Formlings (10), a) wobei vor Schritt iii) in das Unterwerkzeug eine Lackschicht (37) eingebracht wird, und ein Verbacken der aufgeschäumten Partikel gemäß Schritt vi) gegen die Lackschicht durchgeführt wird, oder b) wobei nach Schritt vii) der Formling in ein anderes Unterwerkzeug verbracht wird, in das zuvor eine Lackschicht (37, 21) eingebracht wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, das die Merkmalsgruppe a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeschäumten Partikel in das Unterwerkzeug gemäß Schritt iii) verbracht werden, wenn die in dem Unterwerkzeug (23) angeordnete Lackschicht (37) ausgehärtet ist oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt: ix) Anbringen einer Deckschicht (28) an einer der ausgehärteten Lackschicht (21) abgewandten Seite (27) des Partikelschaums (33).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: x) Bearbeiten des Formlings zu einem Bauelement (10).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgehärtete Lackschicht (21) eine Wandstärke (W1) zwischen 0,01 mm und 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgehärtete Partikelschaum (33) eine Wandstärke (W2) zwischen 1 cm und 30 cm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) als Fahrzeugteil für ein Kfz oder für ein Nutzfahrzeug oder für ein Caravan-Fahrzeug, wie Innenausstattungsteil, Laderaumabdeckung, Verkleidungsteil, Motorhaube, Dachelement oder Dachsegment, Fahrzeugwand, oder Fahrzeug-Wandelement, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial von expandierbarem EPS, PP, PESU, PPSU, PSU oder PEEK bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Schrittes h) der folgende Schritt durchgeführt wird: xi) Positionieren von Verstärkungselementen, insbesondere nach Art von Zugankern, beispielsweise nach Art von Tapes, in dem Unterwerkzeug, wobei nach dem Verbringen der teilweise aufgeschäumten Partikel (31a, 31b, 31c) in das Unterwerkzeug (23) diese die Verstärkungselemente umhüllen.
Flächenhaft ausgebildetes Bauelement (10) mit einer hochwertigen Oberfläche (26), insbesondere hergestellt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine ausgehärtete Lackschicht (21), mit der ein ausgehärteter Partikelschaum (33) fest verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht (21) eine Wandstärke (W1) zwischen 0,01 mm und 2 mm aufweist.
Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgehärtete Partikelschaum (33) eine Wandstärke (W2) zwischen 1 und 30 cm aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaum (33) gegen die Lackschicht (21) geschäumt ist.