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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils, insbesondere eines Unterbodenbauteils eines Kraftfahrzeugs.
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Ein Sandwichbauteil besteht üblicherweise aus zwei Decklagen, zwischen denen ein Kernelement angeordnet ist, das die beiden Decklagen fest miteinander verbindet. Das Kernelement ist ein vorgefertigtes Bauteil, das eine definierte Bauteilgeometrie aufweist, die letztlich die endgültige Geometrie des Sandwichbauteils definiert. Ein solches Kernelement ist beispielsweise ein Polymerschaumelement, also ein Schaumkern, der mit einem geeigneten Formwerkzeug endkonturnah oder endkonturiert hergestellt ist. Alternativ kann ein solches Kernelement auch mit einer Wabenstruktur gefertigt sein, und durch Pressen oder Spritzgießen einer geeigneten thermoplastischen Formmasse hergestellt werden. Ein solches Sandwichbauteil ist beispielsweise aus
WO 2018/149762 A1 bekannt. Im Rahmen der Herstellung des Sandwichbauteils wird demzufolge zunächst das Kernelement respektive, sofern vorgesehen, die Kernelement in einem oder mehreren geeigneten Formwerkzeugen hergestellt. Sofern erforderlich schließ sich diesem Schritt eine mechanische Nachbearbeitung an. Sodann werden die Kernelemente mit den beiden Decklagen belegt, indem beispielsweise das oder die Kernelemente auf die untere Decklage aufgelegt und mit dieser verklebt werden, wonach die obere Decklage aufgelegt und verklebt wird. Diese Herstellungsweise ist fehleranfällig und aufwendig. Zum einen können Fehler bei der Positionierung des oder der Kernelemente relativ zu den Decklagen entstehen. Darüber hinaus ist das Verfahren auch mehrstufig.
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Aus
DE 31 26 242 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils in einer Form bekannt, bei dem zwischen zwei Decklagen ein Gemisch aus einem Epoxidharz und einem Kunststoffgranulat, das bereits aufgeschäumt ist, eingebracht wird. Das Granulat schäumt infolge einer Erwärmung der Form noch weiter auf. Der fertige Bauteilkern besteht aus einer Epoxidharzmatrix mit eingebetteten Granulatschaumpartikeln.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren anzugeben.
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Die Erfindung schlägt zur Lösung des Problems ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils vor, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer öffen- und schließbaren Werkzeugform mit wenigstens zwei Formteilen, von denen wenigstens eines eine Formkavität aufweist, durch welche im geschlossenen Zustand ein Formhohlraum gebildet wird,
- - Einbringen zweier umformbarer Decklagen mit einem dazwischen befindlichen, aufschäumbaren Kernmaterial in die Formkavität und Schließen der Werkzeugform,
- - Aufschäumen des Kernmaterials derart, dass der Formhohlraum ausgefüllt wird und die beiden Decklagen durch Umformen an die Kontur des Formhohlraums angepasst und mit dem schäumenden Kernmaterial werden,
- - Aushärten des Kernmaterials unter Fixierung der Decklagen am Kernmaterial,
- - Öffnen der Werkzeugform und Entnahme des Sandwichbauteils.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Herstellung des Sandwichbauteils in einem einzigen Arbeitsgang vor. Verwendet wird eine Werkzeugform, die aus wenigstens zwei Formteilen besteht, die relativ zueinander zum Öffnen und Schließen der Werkzeugform bewegt werden können. Die beiden Formteile definieren einen Formhohlraum, wozu zumindest eines der Formteile eine entsprechende Kavität, also eine Ausnehmung aufweist, gegebenenfalls auch beide, wobei sich beide Kavitäten dann zum gesamten Formhohlraum ergänzen.
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In diese Werkzeugform respektive in diesen Formhohlraum werden nun sämtliche für die Herstellung des Sandwichbauteils erforderlichen Elemente respektive Mittel eingebracht, um in einem einzigen Schritt zum fertigen Sandwichbauteil umgearbeitet zu werden. Eingebracht werden zwei umformbare Decklagen, also Decklagen, die hinreichend flexibel sind, dass sie dreidimensional geformt werden können, wobei deren Endform über die Geometrie des Formhohlraums definiert wird. Zusätzlich zu diesen beiden Decklagen wird ein aufschäumbares Kernmaterial eingebracht, das zwischen den beiden Decklagen angeordnet wird. Das heißt, dass z.B. zunächst die untere erste Deckschicht eingebracht wird, sodann das aufschäumbare Kernmaterial und schließlich auf dieses die obere zweite Deckschicht. Das Kernmaterial ist wie beschrieben aufschäumbar, das heißt, dass hier kein fertig vorbereites, dreidimensional geformtes Kernelement eingebracht wird, sondern ein Ausgangsmaterial, um eben ein solches Kernelement erst nachfolgend auszubilden. Vorzugsweise wird das Material automatisiert über eine Breitenschlitzdüse flächig auf das textile Halbzeug aufgebracht. Sobald sämtliche erforderlichen Elemente respektive Mittel, also die beiden Decklagen und das Kernmaterial, in die Werkzeugform eingebracht sind, wird diese geschlossen. Nun beginnt der Aufschäumprozess des Kernmaterials. Das Kernmaterial ändert durch das Aufschäumen demzufolge sein Volumen extrem, es dehnt sich aus, was dazu führt, dass das Kernmaterial den gesamten Formhohlraum ausfüllt und hierbei gleichzeitig die beiden Decklagen an die Hohlraumwandung presst. Da das Kernmaterial in einer solchen Menge eingebracht wird, dass sich ein sehr großes Schaumvolumen ergeben würde, und der Aufschäumvorgang durch die Größe des Formhohlraums respektive die Hohlraumwandung begrenzt ist, kommt es folglich zur Ausbildung eines hohen Innendrucks im Formhohlraum, der dazu führt, dass die Decklagen fest und der Geometrie der Formhohlraumwandung exakt folgend gegen diese gepresst werden, und sich gleichzeitig auch ein äußerst kompakter und dichter Kern ausbildet, der fest und stoffschlüssig mit den Decklagen verbunden ist, das heißt, dass es zu einer entsprechenden Imprägnierung und Einbettung der Decklagen durch bzw. in den Kernschaum kommt. Dabei wird vorzugsweise ein Kernmaterial verwendet, das beim Aufschäumen eine geschlossene Deckschicht bzw. Haut bildet, sa dass eine Porenbildung in den textilen Deckschichten und an der Oberfläche des Sandwichbauteils minimiert bzw. vermieden wird.
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Nachdem der Aufschäumvorgang beendet ist, härtet das Kernmaterial, also der Schaumkern aus, wobei die beiden Decklagen fest am Kernmaterial respektive dem dann ausgehärteten Kern fixiert sind. Das Kernmaterial zeichnet sich dadurch aus, dass es verfahrensbedingt einen Integralschaum ausbildet, d.h. im Inneren des Kerns eine geringere Dichteaufweist als im Randbereich des Kerns. Die textilen Decklagen sind vom Kernmaterial imprägniert worden und stoffschlüssig und chemisch arteigen (z.B. Verbindung PUR-Kern mit PUR-Decklagen und nicht wie im Stand der Technik PUR-Kern mit Epoxy-Decklagen) mit dem harten Schaumkern verbunden respektive in diesem quasi eingebettet. Nach dem Aushärten, das eine entsprechende Zeit in Anspruch nimmt, wird sodann die Werkzeugform geöffnet und das fertige Sandwichbauteil entnommen.
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Ersichtlich zeigt das erfindungsgemäße Verfahren eine Reihe von Vorteilen. Zum einen handelt es sich um ein einstufiges Verfahren, das heißt, dass die Herstellung des fertigen Sandwichbauteils in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgt. Die separate Herstellung eines oder mehrerer vorgefertigter Kernelemente entfällt hier, ebenso wie deren etwaige Nachbearbeitung und insbesondere derer Positionierung relativ zu den beiden Decklagen und die Verbindung derselben mit den Decklagen. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Verfahren deutlich schneller und effizienter von statten geht und darüber hinaus auch weniger Fehler anfällig ist. Die Form des Sandwichbauteils wird ausschließlich durch den Formhohlraum selbst vorgegeben, sodass demzufolge der geschäumte Bauteilkern exakt die definierte Form aufweist, wie aber auch die entsprechend umgeformten und formangepassten Decklagen Alle Elemente sind exakt zueinander positioniert und fest miteinander verbunden.
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Die Erfindung macht sich das Expansionsvermögen des schäumenden Material und die automatische Ausbildung eines entsprechend hohen Forminnendrucks zu nutzen, um die Decklagen hochgenau der Formgeometrie anzupassen und auch eine hoch feste Verbindung zwischen dem Kern und den Decklagen zu realisieren. Dadurch, dass Decklagen und ein Kernmaterial verwendet werden, die insoweit chemisch kompatibel sind, als das Kernmaterial beim Aufschäumen die Decklagen benetzt und stoffschlüssig an- oder einbinden kann, entfällt auch die Verwendung eines zusätzlichen Klebemittels wie im Stand der Technik, wo in der Regel ein Epoxidharzkleber verwendet wird, um Kernelement und Decklagen miteinander zu verbinden. Und schließlich zeigt der aufgeschäumte Kern aufgrund der über den Formhohlraum begrenzten Aufschäumung hervorragende mechanische Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Biegeeigenschaften, die über die Dichte des Schaumkerns im Prozess gesteuert werden können.
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Als Kernmaterial wird bevorzugt ein schäumendes Material aus Polyurethan (PUR) oder ein Material, das Polyurethan enthält, verwendet. Das heißt, dass ein PUR-Schaumsystem verwendet wird, mit Polyurethan als Polymerkomponente, wobei das System mit einem geeigneten chemischen oder physikalischen Treibmittel ausgestattet ist, um das Aufschäumen zu erwirken. Besonders bevorzugt wird dabei ein schäumendes Material verwendet, dass einen Hartschaum aus Polyurethan oder enthaltend Polyurethan bildet. Wie beschrieben, muss ein solches Sandwichbauteil, beispielsweise in Form des Unterbodenbauteils, besondere mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere hinsichtlich seiner Biegesteifigkeit. In diesem Fall ist die integrale Ausbildung eines Hartschaumkern besonders zweckmäßig.
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Wie einleitend beschrieben, begrenzt der Formhohlraum das gegebene Aufschäumvolumen, also das Volumen, innerhalb welchen das Kernmaterial, also beispielsweise das PUR-Schaumsystem, aufschäumen kann. Das heißt, dass die Freischaumdichte des Kernmaterials respektive des PUR-Systems deutlich geringer als die spätere globale Dichte des ausgehärteten Kernmaterial im Sandwichbauteil ist. Aus der Volumenbegrenzung resultiert auch der hohe Forminnendruck, aus dem wiederum die hervorragende Drapierung der Decklagen an der Hohlrauminnenwandung sowie die Imprägnierung der Decklage resultiert. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein Kernmaterial und/oder eine Menge an Kernmaterial verwendet, dass das Kernmaterial im ausgehärteten Zustand eine Dichte von 100-300 g/l aufweist. Das verwendete Kernmaterial respektive insbesondere dessen Menge wird demzufolge so ausgelegt, dass der ausgehärtete Kern eine Dichte im Bereich zwischen 100-300 g/l aufweist. Die Mengenauslegung hängt natürlich von der Größe des Formhohlraums ab, in Verbindung mit dem verwendeten Kernmaterial respektive auch dessen Aufschäumverhalten.
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Zentrale Teile des erfindungsgemäßen Sandwichbauteils sind die beiden Decklagen, die umformbar sein müssen, damit sie über den hohen Forminnendruck, erzeugt über das aufschäumende Kernmaterial, gegen die dreidimensional, gegebenenfalls auch relativ komplexe dreidimensional geformte Formhohlraumwandung gepresst werden und diese vollflächig auskleiden können. Um dies zu ermöglichen, wird als wenigstens eine Decklage oder für beide Decklagen ein textiles Halbzeug verwendet. Je nach Ausführungsform können verschiedene textile Halbzeuge verwendet werden, u.a. Gelege, Gewebe, Gewirke und Matten.
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Die Ausführung der textilen Halbzeuge kann mit verschiedenen Faserarten bzw. Mischungen erfolgen, beispielsweise Glas-, Carbon-, Aramid- oder Naturfasern. Natürlich kann das Gewebe oder Gelege auch insgesamt aus diesen Fasern, gegebenenfalls auch gemischt, bestehen. Alternativ zur Verwendung solcher faserverstärkten Gewebe oder Gelege ist es auch denkbar, eine Fasermatte zu verwenden, wobei eine solche Fasermatte insgesamt aus in der Regel in Kunststoff eingebetteten Glas-, Carbon-, Aramid- oder Naturfasern bestehen kann, die aber auch gemischt vorliegen können. Das heißt, dass also entweder endlos faserverstärkte Gewebe oder Gelege, die mitunter auch non-crimp fabrics genannt werden, oder entsprechende Matten verwendet werden können.
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Die Dicke einer solchen Decklage sollte zwischen 1-4 mm liegen, wobei die konkret verwendete Lagendicke unter anderem von der Komplexität der Formgebung des Formhohlraums abhängt, da die Decklagen eine hinreichende Flexibilität aufweisen müssen, sodass sie die Kavitäten vollflächig auskleiden, wie auch von der Gesamtdicke des herzustellenden Sandwichbauteils. Je dünner das Sandwichbauteil, desto eher werden dünnere Decklagen verwendet, je komplexer die Wandungsgeometrie des Formhohlraums, desto eher werden dünnere und drapierfähige Decklagen verwendet.
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Besonders bevorzugt werden Decklagen verwendet, deren Durchlässigkeit bzw. Imprägnierbarkeit durch das Schaumkernmaterial textiltechnisch optimiert wurde. Das Kernmaterial wird in einer Menge eingebracht, dass es beim Aufschäumen die Decklagen imprägniert und nach dem Aushärten in eine Polymermatrix einbettet. Das heißt, dass die Decklagen gezielt für das aufschäumende Kernmaterial durchlässig sind, was entweder bei den bereits beschriebenen textilen Decklagenmaterialien der Fall ist, da diese eine quasi „offenporige“ Gewebe- oder Gelege- oder Mattenstruktur haben. Kommen andere als textile Decklagen zum Einsatz, beispielsweise Kunststofffolien oder ähnliches, so sind diese beispielsweise perforiert, um eine Durchlässigkeit zu erzeugen. Diese Durchlässigkeit für das aufschäumende Kernmaterial ermöglicht es, dass das Kernmaterial die jeweilige Decklage quasi vollständig imprägniert und durchdringt und demzufolge einbettet, sodass am fertigen Sandwichbauteil jede Decklage nahezu vollständig in das dann ausgehärtete Kernmaterial eingebettet und stoffschlüssig damit verbunden ist und sich demzufolge ein integraler, nicht mehr lösbarer Sandwichaufbau ergibt. Das Durchdringen der perforierten respektive durchlässigen Decklage mit dem aufschäumenden Kernmaterial wird dadurch sichergestellt, dass sich aufgrund des begrenzten Aufschäumvolumens ein sehr hoher Forminnendruck ausbildet, über den gesteuert das Kernmaterial die Decklagen vollständig imprägniert.
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Für das vollständige Einbetten ist es denkbar, trockene Decklagen zu verwenden, also ein reines, nicht vorbelegtes textiles Material oder dergleichen. Dieses wird durch das aufschäumende Kernmaterial stoffschlüssig in die Polymermatrix des aufgeschäumten, ausgehärteten Kerns eingebettet. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, dass Decklagen, die mit einem mit dem Kernmaterial chemisch kompatiblen, vorzugsweise nicht schäumenden, aushärtenden und die Decklagen in einer Polymermatrix einbettenden Imprägniermaterial imprägniert sind, verwendet werden. Hier werden Decklagen verwendet, die vorimprägniert sind, und zwar mit einem Material, das chemisch kompatibel mit dem Schaumsystem, beispielsweise PUR-Schaumsystem ist. In diesem Fall würden die Decklagen beispielsweise mit nicht schäumenden oder nur gering schäumenden PUR belegt respektive imprägniert. Diese Imprägnierung sorgt, resultierend aus der chemischen Kompatibilität, für eine noch bessere Benetzung und damit Verbindung, es bildet sich eine gemeinsame Polymermatrix von Kern und Imprägnierungspolymer aus, sodass der Haftverbund noch fester ist, wie hierüber auch sichergestellt ist, dass die Decklagen auch vollständig in der Polymermatrix eingebettet werden können.
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Wie beschrieben werden die Elemente respektive Mittel zur Bildung des Sandwichbauteils in die Kavität respektive den Formhohlraum eingebracht, was manuell oder automatisch durch eine geeignete Zuführ- und Einlegemaschinerie in Form geeigneter Arbeitsrobotor erfolgen kann. Dabei sind, was die Applikation des Kernmaterials angeht, unterschiedliche Vorgehensweise denkbar. Gemäß einer ersten Erfindungsalternative kann das Kernmaterial in flüssigem oder pastösem Zustand auf eine bereits in der Formkavität eingebrachte Decklage aufgebracht werden. Demgemäß wird also die erste, untere Decklage in die Formkavität eingelegt, wonach das Kernmaterial, das flüssig oder pastös ist, auf die eingelegte Decklage aufgebracht wird. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, dass flüssige oder pastöse Kernmaterial auf die noch nicht in die Formkavität, also außerhalb derselben befindliche Decklage aufzubringen und anschließend die bereits mit dem Kernmaterial belegte Decklage in die Formkavität einzubringen.
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Das Kernmaterial wird, vorzugsweise mittels eines Auftragsrobotors, beispielsweise flächig auf die Decklage gesprüht, wenn es hinreichend flüssig, also sprühfähig ist, alternativ kann ein pastöses Kernmaterial auch in Form von einer oder mehreren Raupen auf die Decklage aufgebracht werden. Beides geschieht vorzugsweise mittels eines Auftragsrobotors, über den die applizierte Kernmaterialmenge hochgenau gesteuert werden kann, sodass reproduzierbar stets die gleiche Kernmaterialmenge appliziert wird oder auch lokal mehr Material aufgebracht werden kann, was dann in diesem Bereich zu einem dichteren Kern und damit besseren Eigenschaften führt. Auch wenn die Decklagen automatisch in die Formkavität eingelegt werden, ist dies für die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit dieses Verfahrensgangs von Vorteil, da über einen entsprechenden Einlegerobotor auch hier die Positionierung hochgenau erfolgen kann.
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Mitunter ist an dem Sandwichbauteil nicht in allen Bereichen ein Kernmaterial vorzusehen. Beispielsweise soll ein umlaufender, dünner Montagerand ausgebildet werden, oder, über die Fläche verteilte, dünne Lastaufnahmezonen, wobei am Montagerand und den Lastaufnahmezonen beispielsweise Befestigungselemente gesetzt werden können und ähnliches. Um dies zu ermöglichen, sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung vor, dass die beiden Decklagen zum direkten Verbinden mittels der Werkzeugform beim Schließen der Formteile in direkte Anlage aneinander gedrückt werden, wobei sich im Anlagebereich befindliches Kernmaterial herausgepresst wird. Beim Schließen der Form wird das vollflächig aufgebrachte, flüssige Kernmaterial lokal verdrängt, so dass nur die Decklagen imprägniert werden, aber dazwischen kein Schaumkern entsteht. Die Decklagen werden über die zufahrende Werkzeugform in diesen Bereichen direkt miteinander gekoppelt, werden also flächig aufeinander gelegt. Die Verbindung beider Decklagen erfolgt über das sie imprägnierende Kernmaterial, also z.B. PUR, eines zusätzlichen Klebers bedarf es hier nicht. Das Kernmaterial schäumt nur in den Bereichen auf, wo es durch die Form nicht verdrängt wurde und bildet nur dort einen Kern. Derartige, über die direkt verbundenen Decklagen gebildete monolithische Bereiche können vorzugsweise zur Positionierung von Lasteinleitungselementen bzw. als Bauteilrand umgesetzt werden. An dem fertigen Sandwichbauteil ist sodann der oder sind die entsprechenden, dünnen und nur durch die Decklagen gebildeten Abschnitte ausgebildet, wie auch die dickeren Abschnitte mit dem Integralschaumkern. All diese Abläufe geschehen wiederum in dem einzigen Prozessvorgang in der Werkzeugform, das heißt, dass weder ein Werkzeugwechsel hierfür vorzunehmen ist, noch sonstige Arbeitsschritte. Die Werkzeugform fährt zu und nach geeignete Halterzeit wieder auf, das Sandwichbauteil ist in seiner gesamten Geometrie fertig.
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Alternativ wäre es auch denkbar, dass das Kernmaterial nur bereichsweise aufgebracht wird und beim Schließen der Werkzeugform die beiden Decklagen in nicht mit dem Kernmaterial belegten Bereichen direkt aufeinander gelegt und mittels eines aushärtenden, diese Bereiche einbettenden Polymermaterials unmittelbar miteinander verbunden werden. Hier schäumt demzufolge das Kernmaterial nur lokal, nicht aber global auf, bezogen auf die Decklagenfläche. Die Decklagen selbst werden lokal in nicht mit Kernmaterial belegten Bereichen über die zufahrende Werkzeugform direkt miteinander gekoppelt, werden also flächig aufeinander gelegt, ohne dass dazwischen Kernmaterial eingebracht ist und auch nicht beim Einschäumen eintritt. In diesen aufeinander gelegten Bereichen werden die Decklagen unmittelbar miteinander verbunden, wozu ein entsprechendes Polymermaterial, also ein geeignetes Klebematerial wie beispielsweise wiederum ein Polyurethtan oder ein Epoxidharz oder dergleichen, auf zumindest eine der Decklagen aufgebracht ist. Dieses Polymermaterial dient als Klebeverbinder, um beide Decklagen stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Es kann beispielsweise vor dem Einbringen der beiden Decklagen, vorzugsweise automatisch, auf die jeweilige Decklage appliziert werden, also beispielsweise auf den Randbereich oder in entsprechenden linienförmigen Bereiche in der Decklagenfläche oder ähnliches, wonach die Decklagen eingebracht werden und das Kernmaterial lokal appliziert wird. Fährt nun die Werkzeugform zu, so werden die Decklagen fest aufeinander gelegt und miteinander verbunden, beim Aufschäumen schäumt das Kernmaterial eben nur in dem verbleibenden Volumen auf.
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Bevorzugt sind bei dieser Alternative, bei der wie beschrieben das flüssige Kernmaterial nicht vollflächig, sondern nur lokal aufgebracht wird, die verwendeten Decklagen zumindest in den direkt miteinander zu verbindenden Bereichen mit einem mit dem Kernmaterial chemisch kompatiblen, nicht schäumenden, aushärtenden und die Decklagen in diesen oder diesem Bereichen in eine Polymermatrix einbettenden Imprägniermaterial imprägniert, oder sie werden, insbesondere unmittelbar vor oder nach dem Aufbringen des Kernmaterials, damit imprägniert. Als Polymermaterial zum Verkleben der Decklagen direkt miteinander wird bevorzug auch hier ein mit dem schäumenden Kernmaterial chemisch kompatiblen Polymermaterial verwendet, das jedoch nicht schäumt, gleichermaßen aber aushärtet und die beiden Decklagen stoffschlüssig miteinander verbindet. Kommt ein PUR-Schaumsystem zum Einsatz, so wird als verklebendes Imprägniermaterial beispielsweise ein nicht schäumendes PUR verwendet, das auch eine stoffschlüssige Anbindung an den benachbarten Schaumbereich ermöglicht.
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Diese beiden Verfahrensvarianten, die die Ausbildung monolithischer Bereiche, die nur über die miteinander verbundenen Decklagen gebildet werden, vorsehen, ermöglichen es, ohne Weiteres Übergangsbereiche zwischen einem oder mehreren solcher monolithischen Bereiche und den Sandwichbereichen, in denen das geschäumte Kernmaterial vorliegt, in einem Verfahrenszug auszubilden.
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Als Kernmaterial selbst wird ein solches verwendet, dass gemäß einer ersten Alternative nach einer Latenzzeit automatisch aufschäumt und aushärtet. Das heißt, dass es nach Aufbringen des Kernmaterials bzw. des Imprägniermaterials eine gewisse, definierte Zeit dauert, bis der Aufschäumvorgang oder der Aushärtevorgang endgültig einsetzt. Dies ermöglicht es, zeitgesteuert die entsprechenden Aufschäumen- und Aushärteschritte vorzunehmen. Die Prozesssteuerung erfolgt über die Abstimmung der Werkzeugtemperierung mit der Formulierung des Kernmaterials, also z.B. der PUR-Formulierung, und den Auftragsparamertern im Prozess. In Abhängigkeit der Formulierung und den Prozessparametern setzt dann der Aufschäumvorgang nach einer bestimmten Zeit ein und stoppt automatisch, wenn kein Treibmittel mehr vorhanden ist oder der Aushärtevorgang bereits zu stark fortgeschritten ist.
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Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner ein Sandwichbauteil, das gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Es handelt sich demzufolge um ein formstabiles Sandwichbauteil, bestehend aus zwei Decklagen sowie einem oder mehreren zwischen diesen angeordneten Schaumkernen, gebildet aus dem aufgeschäumten, ausgehärteten Kernmaterial. Ein solcher Schaumkern kann sich über die gesamte Decklagenfläche erstrecken, er kann aber auch nur, auch in Verbindung mit mehreren separaten Schaumkernen, lokal vorgesehen sein, während in nicht belegten Bereichen die Decklagen unmittelbar miteinander verbunden und über ein geeignetes Verbindungsmaterial, das eine Polymermatrix ausbildet, miteinander stoffschlüssig verklebt sind. Auch das Kernmaterial bindet respektive bettet die Decklagen stoffschlüssig in einer geeigneten Polymermatrix ein, sodass sich insgesamt ein äußerst stabiler Verbund ergibt. Die Decklagen selbst sind bevorzugt textile Halbzeuge, beispielsweise vorzugsweise faserverstärkte Gewebe oder Gelege oder Matten. Das Schaumsystem ist bevorzugt ein PUR-System.
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Sämtliche zum vorstehend beschriebenen Verfahren beschriebenen Merkmale, die das Sandwichbauteil selbst betreffen, insbesondere in Bezug auf die verwendete Elemente respektive Materialien für Decklagen und Kernmaterial und Imprägniermaterial, etwaige Geometrieparameter und ähnliches, gelten gleicherweise auch für das Sandwichbauteil selbst.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Sandwichbauteil um ein Unterbodenbauteil eines Kraftfahrzeugs, mit dem eine Schutzfunktion ausgeübt werden soll, beispielsweise für einen davon übergriffenen Energiespeicher oder einen Druckbehälter oder ähnliches. Ein solches Unterbodenbauteil wird fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden, wozu das Unterbodenbauteil bevorzugt einen oder mehrere dünne, monolithische Bereiche ohne Schaumkern aufweist, durch die entsprechende Verbindungselemente zum Verbinden des Unterbodenbauteils mit der Karosserie geführt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens mit vollflächiger Belegung einer Decklage mit Kernmaterial, und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens mit lokaler Belegung einer Decklage mit Kernmaterial.
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Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm in insgesamt 7 Schritten zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Im Schritt a ist einerseits eine Werkzeugform 1 mit zwei Formteilen 2, 3 gezeigt, wobei das untere Formteil 2 eine erste Kavität 4 und das obere Formteil 3 eine zweite Kavität 5 aufweisen. Die Werkzeugform 1 ist hier geöffnet, nachdem nachfolgend ein Sandwichbauteil in ihr hergestellt werden soll.
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Rechts neben der Werkzeugform 1 sind die zur Herstellung des Sandwichbauteils, beispielsweise eines Unterbodenschutzbauteils eines Kraftfahrzeugs, erforderlichen Teile respektive Mittel gezeigt. Vorgesehen ist eine untere erste Decklage 6 sowie eine größere, obere zweite Decklage 7 und ein zwischen dieser einzubringendes aufschäumbares Kernmaterial 8. Bei den Decklagen 6, 7 handelt es sich bevorzugt um textile Halbzeuge, beispielsweise mit Verstärkungsfasern und verstärkter Gewebe oder Gelege oder aus Fasern hergestellter Fasermatten. Als Verstärkungsfasern respektive Fasermatten kommen beispielsweise Carbon, Aramid oder Glasfasern, gegebenenfalls aber auch Naturfasern zum Einsatz. Sie weisen eine Dicke im Bereich von 1 - 4 mm auf.
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Bei dem aufschäumbaren Kernmaterial handelt es sich bevorzugt um schäumbares PUR, also um ein PUR-Schaumsystem.
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Im Schritt b wird nun zunächst die untere erste Decklage 6 in der Kavität 4, die zusammen mit der Kavität 5 einen Formhohlraum definiert, eingelegt. Im Schritt c wird sodann das Kernmaterial 8, das flüssig oder pastös ist, auf die Decklage 6 aufgebracht. Dies geschieht bevorzugt mit einem Auftragsrobotor, um hochgenau die aufgebrachte Kernmaterialmenge steuern zu können. Im gezeigten Beispiel wird das Kernmaterial 6 über die gesamte Fläche der Decklage 6 verteilt aufgebracht, was insbesondere durch Aufsprühen eines flüssigen Kernmaterials 8 erfolgt.
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Im Schritt d wird nun auch die obere zweite Decklage 7 in die Formkavität 4 eingebracht.
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Im Schritt e wird nun das obere Formteil 3 und das untere Formteil 2 eingefahren. Das obere Formteil 3 weist einen vorspringenden, umlaufenden Randabschnitt 13 auf, der von oben die beiden Randabschnitte 9, 10 fest miteinander verpresst. Daneben zeigt das Teilbild gemäß Schritt e auch, dass das Kernmaterial 8 bereits aufschäumt und dabei aufgrund der hier gegebenen Formhohlraumgeometrie bereits beginnt, die obere Decklage 7 umzuformen. Dieser Aufschäumvorgang beginnt entweder nach Ablauf einer bestimmten Halte- oder Latenzzeit, nachdem das Kernmaterial 8 aufgebracht wurde, oder temperaturgesteuert, indem die geschlossene Werkzeugform 1 erwärmt wird. Das Kernmaterial 8 schäumt, weil quasi vollflächig aufgebracht, über die Fläche auf, beim Zufahren der Form wird es jedoch aus den Bereichen, wo die Form die beiden Decklagen direkt aufeinander presst, hier den beiden Randabschnitten 9, 10, herausgedrückt, und imprägniert dabei die beiden Decklagenbereich.
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Im Fortschreiten dieses Aufschäumvorgang vergrößert nun das Kernmaterial 8 sein Volumen, es füllt den gesamten Formhohlraum aus, wie das Teilbild gemäß Schritt f zeigt, wobei die obere Decklage 7 die Wandung der oberen Kavität 5 des oberen Formteils 3 vollständig und vollflächig belegt und exakt diesem Wandungsverlauf respektive der Wandungsgeometrie angepasst wird, während gleichzeitig die untere Decklage 6 fest gegen die Kavität respektive den Boden der Kavität 4 des unteren Formteils 2 gepresst wird. Es bildet sich durch das Aufschäumen aufgrund des begrenzten Volumens des Formhohlraums ein sehr hoher Innendruck auf, da das Kernmaterial in seiner Art respektive Menge so bemessen ist, dass es, wenn es frei aufschäumen würde, ein weit größeres Volumen einnehmen würde, als es der Formhohlraum zulässt. Von daher bildet sich ein sehr hohe Innendruck aus, der einerseits die Decklagen 6, 7, soweit sie umgeformt werden, problemlos umformt, anderseits aber sicherstellt, dass die Decklagen auch vollflächig gegen die Kavitätswandung gepresst werden und demzufolge exakt die Kavitätsform am fertigen Sandwichbauteil abgebildet wird. Durch den sehr hohen Innendruck ist demzufolge eine entsprechende Umformung bzw. Drapierung der Decklagen 6, 7 möglich, die es auch erlaubt, etwaige Formgeometrie exakt abzubilden bzw. eventuelle Dickensprunge und dergleichen flächig auszuformen.
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Gleichzeitig benetzt hierbei respektive durchdringt hierbei das aufschäumende Kernmaterial 8 die durchlässigen Decklagen 6, 7, sodass diese vollständig in das Schaummaterial eingebettet werden und es demzufolge zu einem stoffschlüssigen Anbinden der Decklagen 6, 7 an das geschäumte Kernmaterial 8 kommt. Ferner werden auch die Randbereiche 9, 10 miteinander verpresst, das Kernmaterial 8, das durch die Form beim Schließen aus dem Randbereich herausgepresst wurde, die Decklagen aber imprägniert hat, bettet auch hier die Randabschnitte 9, 10 in eine entsprechende Polymermatrix und verklebt diese demzufolge monolithisch.
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Die Menge an Kernmaterial ist so bemessen, dass sich ein Kern mit einer Dichte von 100 - 300 g/l ausbildet, also mit einer, verglichen mit dem frei aufgeschäumten Kernmaterial, weit höheren Dichte, so dass der Kern und damit das Sandwichbauteil extrem formstabil ist.
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Nach Ablauf wiederum eine entsprechende Haltezeit respektive gegebenenfalls auch bei Beibehaltung einer entsprechenden Haltetemperatur erfolgt sodann das Öffnen der Werkzeugform 1 und die Entnahme des fertigen Sandwichbauteils 14, wie im Schritt g gezeigt. Dieses besteht aus zwei monolithischen Randabschnitten 15, gebildet aus den beiden Randabschnitten 9, 10 der Decklagen 6, 7. Unterseitig ist es über die Decklage 6 eingefasst, oberseitig über die Decklage 7. Im Inneren befindet sich der ausgehärtete Schaumkern 16, also der Polyurethankern.
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2 zeigt einen Verfahrensablauf einer zweiten Variante, die im wesentlichen der gemäß 1 entspricht, weshalb insoweit auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zur ersten verfahrensvariante erfolgt hier nur eine lokale Belegung der Decklage 6 mit Kernmaterial 8 im Schritt c. Im gezeigten Beispiel sind die beiden Decklagen 6, 7 in den umlaufenden Randbereichen 9, 10 zur Bildung eines umlaufenden Randes an dem Fertigsandwichbauteil mit einem Imprägniermaterial 11, 12 imprägniert, das hier, um es darzustellen, quasi als Oberflächenbeschichtung an den einander zugewandten Seiten der Randabschnitte 9, 10 gezeigt ist. Bei diesem Imprägniermaterial handelt es sich um ein vorzugsweise mit dem Kernmaterial chemisch kompatibles, vorzugsweise nicht bzw. gering schäumendes, jedoch aushärtendes Material, also beispielsweise gering schäumendes PUR, das in der Lage ist, dass Decklagenmaterial ebenfalls in einer Polymermatrix einzubetten, wie nachfolgend beschrieben wird. Vorzugsweise härtet das PUR als Hartschaum aus. Das Kernmaterial 8 ist nur im mittleren Bereich der Decklage 8 aufgebracht.
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Im Schritt d wird nun auch die obere zweite Decklage 7 in die Formkavität 4 eingebracht. Dies geschieht derart, dass die Randabschnitte 9 und 10 übereinander liegen, das heißt, dass die entsprechenden Imprägniermaterialien 11 und 12 quasi in Kontakt miteinander gelangen können und, wie nachfolgend noch beschrieben wird, eine einheitliche Polymermatrix bilden können.
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Im Schritt e) fährt die Form 1 zu. Das Kernmaterial 8 schäumt auf und imprägniert respektive durchdringt hierbei die durchlässigen Decklagen 6, 7, sodass diese vollständig in das Schaummaterial eingebettet werden und es demzufolge zu einem stoffschlüssigen Anbinden der Decklagen 6, 7 an das geschäumte Kernmaterial 8 kommt. Ferner werden auch die Randbereiche 9, 10 miteinander verpresst, das Imprägniermittel 11, 12 bettet auch hier die Randabschnitte 9, 10 in eine entsprechende Polymermatrix und verklebt diese demzufolge monolithisch. Da bevorzugt als Schaumsystem ein PUR-Schaumsystem und als Imprägniermittel ebenfalls ein PUR verwendet wird, also chemisch kompatible Mittel, ergibt sich auch eine entsprechend stoffschlüssige Anbindung des Imprägniermaterials 11, 12 an das Kernmaterial 8, wie sowohl seitens des Kernmaterials 8 also auch seitens der Imprägniermaterialien 11, 12 gleiche oder zumindest chemisch vergleichbare Polymermatrizen ausgebildet werden, in die die Decklagen, sei es großflächig am Kernmaterial, sei es in den Randabschnitten 9, 10 in das Imprägniermaterial 11, 12 stoffschlüssig eingebettet sind.
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Die Figuren zeigt in den einzelnen Schritten lediglich ein Ausführungsbeispiel. Abweichungen davon sind denkbar. So ist es beispielsweise möglich, statt der bereits vorher mit den Imprägniermaterialien 11, 12 belegten Decklagen 6, 7 vollständig mit dem Imprägniermaterial 11, 12 belegte bzw. imprägnierte Decklagen 6, 7 zu verwenden, um auch in den Bereichen, in denen der stoffschlüssige Verbund zwischen Kernmaterial 8 und den Decklagen 6, 7 stattfindet, auch seitens der Decklagen 6, 7 eine entsprechende Polymerebene oder Polymermatrix über das Imprägniermaterial direkt auszubilden.
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Auch kann das Kernmaterial in lokal variierender Menge aufgebracht werden, um in Bereichen mit höherer Menge einen Kernabschnitt mit höherer Dichte auszubilden, z.B. um einen mechanisch verstärkten Randbereiche am Sandwichbauteil zu erzeugen o.dgl.
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Ferner ist es denkbar, das Kernmaterial 8 nicht erst nach Einlegen der Decklage 6 in die Form aufzubringen, sondern bereits außerhalb der Form auf die Decklage 6 aufzubringen und demzufolge die bereits belegte Decklage 6 in die Formkavität einzubringen.
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Schließlich handelt es sich bei der gezeigten Formgeometrie respektive Geometrie des Sandwichbauteils nur um ein Ausführungsbeispiel. Es sind selbstverständlich weit komplexere Geometrien je nach Formgebung des Formhohlraums möglich, wie natürlich auch etwaige monolithische Strukturen nicht nur im Randbereich, sondern auch in mittleren Bereichen des Sandwichbauteils erzeugt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/149762 A1 [0002]
- DE 3126242 A1 [0003]
