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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus der
DE 10 2007 023 132 A1 ist es bekannt, Druckgussbauteile mit einer Kunststoffschicht zu überziehen, damit diese als Außenhautbauteil eines Fahrzeugs verwendet werden können. Derartige Außenhautbauteile für Fahrzeuge müssen hohe Anforderungen an ihre Oberflächenqualität erfüllen. Blanke Außenhautbauteile aus Druckguss würden die Anforderungen einer Clas-A-Oberfläche nicht Genüge tun.
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Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, die Karosserie von Kraftfahrzeugen aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen. Die Herstellung ist jedoch sehr aufwändig und ließ sich in der Vergangenheit nur mit einem hohen Anteil an manuellen, d. h. Handarbeitsschritten, bewerkstelligen. Somit stand bislang die Verwendung dieses Werkstoffs nur für Kleinserien oder exklusive Fahrzeuge zur Verfügung.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen anzugeben, die in der Serienfertigung des Fahrzeugs, inline verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patenanspruchs gelöst.
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Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, vor, mit den Schritten Erzeugen einer Trägerstruktur aus faserverstärktem Kunststoff und Aufbringen einer Beschichtung auf mindestens einen Abschnitt der Trägerstruktur. Diese beiden Schritte können hintereinander ablaufen, wobei zuerst die Trägerstruktur erzeugt wird und anschließend die Beschichtung aufgebracht wird, oder gleichzeitig ablaufen, wobei beim Erzeugen der Trägerstruktur gleichzeitig die Beschichtung aufgebracht wird. Vorteilhafterweise werden die Trägerstruktur und die Beschichtung in demselben Werkzeug erzeugt. Dies bietet den Vorteil einer besonders rationalen und zeitsparenden Fertigung.
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Zur Erzeugung der Trägerstruktur wird mindestens ein mit Matrixmaterial imprägniertes Faserhalbzeug zwischen zwei Werkzeughälften des Werkzeugs mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Die Trägerstruktur solcher Bauteile umfasst somit ein Faserhalbzeug aus Fasermaterial, das ggf. mehrlagig, d.h. aus mehreren Faserlagen ausgebildet sein kann, und Matrixmaterial. Solche Bauteile eignen sich besonders gut zur Verwendung von Seitenwandbauteilen, wie beispielsweise Kotflügeln und dergleichen. Zur Erzeugung der Trägerstruktur werden zwei mit Matrixmaterial vorimprägnierte Faserhalbzeuge, zwischen denen eine Abstandsschicht vorgesehen ist, zwischen den Werkzeughälften des Werkzeugs mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Derartige Trägerstrukturen weisen einen mehrschichtigen, sandwichartigen Aufbau auf. Dieser Aufbau verleiht der Trägerstruktur besonders hohe Festigkeitseigenschaften. Darüber hinaus können akustische Dämpfungsmaßnahmen realisiert werden. Kunststoffbauteile mit einem solchen Aufbau eignen sich insbesondere zur Verwendung für Fahrzeugklappen, wie beispielsweise Motorhauben oder Kofferraumdeckel.
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Die Abstandshalterschicht ist aus Polyethylenterephthalat, insbesondere aus Polyethylenterephthalat Partikelschaum ausgebildet. Polyethylenterephthalat bietet gute technische Eigenschaften, vor allem eine hohe Hitzebeständigkeit. Dadurch sind die verfahrensgemäß hergestellten Kunststoffbauteile online tauglich und können als Fahrzeugbauteil in der Linienfertigung von Fahrzeugen eingesetzt werden. Aufgrund der hohen thermischen Belastbarkeit können die Kunststoffbauteile eine Kathodische-Tauchlack-Lackierung (KTL) und den anschließenden Trocknungsprozess in einem Trocknungsofen durchlaufen. Somit eignen sich diese Bauteile für die Verwendung als Strukturbauteile oder Außenhautbauteile für Fahrzeuge.
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Weiterhin kann als Material für die Abstandshalterschicht recyceltes Polyethylenterephthalat verwendet werden. Vorteilhafterweise können so sehr nachhaltige Kunststoffbauteile erzeugt werden und ein umweltfreundliches Herstellungsverfahren realisiert werden.
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In ersten Ausführungsformen des Verfahrens wird nach Erzeugung der Trägerstruktur das Werkzeug um einen vorbestimmten Hub geöffnet, wobei die Werkzeughälften um den vorbestimmten Hub voneinander weg bewegt werden und in die dadurch freigegebene Kavität ein Material zur Erzeugung der Beschichtung eingebracht wird. Dadurch kann auf besonders einfache Weise die Oberfläche der Trägerstruktur, die später der Sichtoberfläche des Kraftfahrzeugbauteils zugewandt ist, mit einem Kunststoffmaterial überzogen bzw. beschichtet werden.
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Nach dem Einbringen des Beschichtungsmaterials wird mittels der Werkzeughälften dieses Material mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Zur Erzeugung des Drucks können die beiden Werkzeughälften aufeinander zu bewegt werden. Die Einbringung von Temperatur erfolgt zum Beispiel durch temperierbare bzw. heizbare Werkzeughälften. Die Beschichtung bietet den Vorteil, dass sich auf der Bauteiloberfläche, die der Sichtfläche entspricht, die Gefahr von Faserabzeichnungen reduziert.
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Als Material zur Erzeugung der Beschichtung eignen sich insbesondere Polyurethan (PUR), Epoxidharze und/oder Acrylharze wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder styrolfreie Polyester.
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Das Beschichtungsmaterial kann dabei als Flüssigkeit, als teigförmige Masse, oder in fester Form, insbesondere als Folie oder Pulver, auf die Trägerstruktur aufgebracht werden.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird in einem ersten Schritt auf eine Wirkoberfläche einer Werkzeughälfte eine Beschichtung aus Pulvermaterial aufgebracht und danach das Material zur Ausbildung der Beschichtung aus dem Pulvermaterial und zur Ausbildung der Trägerstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit den Werkzeughälften des Werkzeugs eine Druck und/oder Temperaturbeaufschlagung durchgeführt, wodurch die Beschichtung und die Trägerstruktur gleichzeitig ausgebildet werden. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Beschichtung und die Trägerstruktur gleichzeitig ausgehärtet, so dass sich ein verkürzter Prozesszyklus ergibt.
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Weiterhin kann zur Erzeugung der Beschichtung zuerst eine erste Schicht Pulvermaterial auf die Wirkoberfläche einer Werkzeughälfte und danach eine zweite Schicht Pulvermaterial auf die vorbeschichtete Werkzeughälfte aufgebracht werden, wobei die erste Schicht Pulvermaterial schneller aushärtet als die zweite Schicht Pulvermaterial. Durch die Eigenschaft schnell auszuhärten, bildet die erste Schicht Pulvermaterial die Oberfläche der Werkzeugfläche besonders konturgetreu ab. Die erste Pulverschicht stellt somit eine harte Oberfläche im fertigen Bauteil dar. Die zweite, langsamer aushärtende Pulverschicht bietet den Vorteil einer besonders guten Anbindung an die Trägerstruktur. Dadurch haftet die erste Pulverschicht fest an der Trägerstruktur. Gleichzeitig dringen Unebenheiten auf der Oberfläche der Trägerstruktur - wie sie z.B. durch hervorstehende einzelne Fasern oder durch Abzeichnungen der Form des Kernes entstehen können - in die zweite Pulverschicht ein, da diese noch weich und nachgiebig ist. Durch die harte erste Pulverschicht werden jedoch Abzeichnungen auf der Bauteiloberfläche verhindert. Ferner können physikalische Schrumpfungseffekte, die bei der Herstellung der Trägerstruktur entstehen durch die zweite Pulverschicht kompensiert werden.
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Das in beiden vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildete Kunststoffbauteil kann im Anschluss mit einer kathodischen Tauchlackierung versehen werden.
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Die Verstärkungsfasern des Kunststoffbauteils können organische oder anorganische Verstärkungsfasern sein. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbonfaserverstärkter Kunststoff; englisch „Carbon-Fiber-Reinforced Plastic“, CFRP) genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein CFK- Bauteil. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein GFK-Bauteil. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsfasern können z.B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA-Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern und/oder Naturfasern sein. Drüber hinaus können die im Vorhergehenden beschriebenen Fasern auch sogenannte Recyclingfasern sein. Darunter fallen Fasern, die als Beschnittreste vorhergehender Verarbeitungsschritte anfallen und dabei im Allgemeinen nicht imprägniert, d.h. trocken sind.
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Die Fasern können als Gelege, Gewebe, Geflecht oder als Wirrfaser in einer Faserlage des Halbzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus kann das Faserhalbzeug auch mehrere Faserlagen umfassen, die auch aus einer Kombination der oben genannten Schichtarten bestehen kann.
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Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z.B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF).
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Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung nochmals zusammengefasst werden. Durch die Kombination der Herstellung einer Trägerstruktur durch Pressen zwischen zwei Werkzeughälften und der Beschichtung in demselben Presswerkzeug entstehen kurze Zykluszeiten. Durch die Erzeugung einer zusätzlichen Beschichtung auf der Verstärkungsstruktur kann die Gefahr von Faserabzeichnungen reduziert werden. Darüber hinaus bietet das Herstellungsverfahren den Vorteil einer kostenreduzierten Fertigung von Faserverbundbauteilen, wodurch diese auch für die Verwendung handelsüblicher Fahrzeuge genutzt werden können. Die Verwendung von Recyclingfasern bietet den Vorteil einer weiteren Kostenreduzierung des Verfahrens. Darüber hinaus verbessert sich der Passantenschutz, da die recycelten Fasern im Allgemeinen Fasern kurzer Länge sind und eine nachgiebige Verstärkungsstruktur ausbilden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert werden.
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Die Figurenbeschreibung, die Ansprüche und die Figuren zeigen eine Vielzahl von Merkmalen, die ein Fachmann auch in anderer Kombination in Betracht ziehen würde, um sie an entsprechende Anforderungen anzupassen.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1A bis 1C Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kunststoffbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 1D ein Kunststoffbauteil gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens,
- 1E ein Kunststoffbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 2A bis 2C Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kunststoffbauteils gemäß einer dritten Ausführungsform des Verfahrens,
- 2D den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Bauteils, hergestellt gemäß der dritten Ausführungsform des Verfahrens, und
- 2E den Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines Bauteils, hergestellt gemäß der dritten Ausführungsform des Verfahrens.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird das prinzipielle Herstellungsverfahren mit Bezug zu den 1A bis 1C beschrieben. Ein Faserhalbzeug 21, welches mit einem Harz vorimprägniert ist, wird zwischen zwei Bauteilhälften 11, 12 eines Werkzeugbauteils 10 eingelegt. Zur Herstellung der Trägerstruktur 21 wird mit den Bauteilhälften 11, 12 ein Druck gezielt aufgebaut und damit das Faserhalbzeug zwischen den Werkzeughälften gepresst, um die Matrix des vorimprägnierten Halbzeugs auszuhärten. Dies ist in 1A dargestellt. Nachdem das Harz ausreichend ausgehärtet ist, wird der Pressdruck reduziert und die obere Werkzeughälfte 11 um einen vorbestimmten Hub h angehoben. Dadurch bildet sich ein Spalt zwischen der oberen Werkzeughälfte 11 und der Trägerstruktur 21 aus, vgl. 1B. In diesen Spalt bzw. Kavität wird ein Beschichtungsmaterial eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Aufsprühen des Beschichtungsmaterials mit Hilfe einer Sprüheinrichtung 13 erfolgen. Nachdem der Spalt mit dem Beschichtungsmaterial befüllt ist, werden die Werkzeughälften 11, 12 wieder aufeinander zubewegt und damit das Material, welches die Beschichtung 22 ausbildet, in einem zweiten Pressschritt mit Druck und/oder mit Temperatur beaufschlagt. Dieser Schritt ist in 1C dargestellt. Durch die Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur erfolgt eine Aushärtung des Beschichtungsmaterials zur Beschichtung 22.
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Das in den 1A bis 1C beschriebene Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst somit zwei Schritte, in denen das Bauteil verpresst wird. In einem ersten Pressschritt wird folglich die Trägerstruktur 21 erzeugt und in einem zweiten Pressschritt die Beschichtung 22. Alternativ zu der in 1B dargestellten Ausführungsform, in der das Material für die Beschichtung in flüssiger oder pastöser Form über die Sprüheinrichtung 13 in den Spalt zwischen den Werkzeughälften 11 und 12 eingebracht wird, kann das Beschichtungsmaterial auch in Pulverform oder als Folie zwischen die Werkzeughälften 11, 12 eingebracht werden. Hierzu muss das Werkzeug 10 entsprechend ausgebildet sein bzw. die Werkzeughälften 11, 12 entsprechend weit auseinander aufgefahren werden.
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Der Aufbau eines Kunststoffbauteils 20, das mit dem in den 1A bis 1C dargestellten Verfahren hergestellt wurde, ist in 1D dargestellt. Dieses Kunststoffbauteil umfasst eine Trägerstruktur 21, die bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, auf der eine Beschichtung 22 ausgebildet ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches dieselben Verfahrensschritte umfasst, die in den 1A bis 1C dargestellt sind, kann ein Kunststoffbauteil mit Sandwichaufbau erzeugt werden. Dieser Aufbau ist in der 1E dargestellt. Der Aufbau des Kunststoffbauteils 20' gemäß der ersten Ausführungsform unterscheidet sich prinzipiell nur durch den Aufbau der Trägerstruktur 21' von dem in 1D dargestellten Kunststoffbauteil 20 mit monolithischer Trägerstruktur 21. Wie aus 1E ersichtlich ist, ist die Trägerstruktur 21' in Sandwichbauweise ausgebildet. Diese umfasst zwei Decklagen 210, 212 aus Faserverbundmaterial, zum Beispiel Recycling-CFK. Darüber hinaus umfasst die Trägerstruktur 21' eine temperaturbeständige Abstandshalterschicht 211, die beispielsweise aus Polyethylenterephthalat oder einem Polyethylenterephthalat Partikelschaum ausgebildet ist. Analog zum im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren wird die Trägerstruktur bzw. das Halbzeug zur Ausbildung der Trägerstruktur 21' gemäß 1A zwischen zwei Werkzeughälften 11, 12 mit Druck und Temperatur beaufschlagt, um dieses auszuhärten bzw. zu erstellen. Danach erfolgt erneut ein Hub h der Werkzeughälften 11, 12, um Beschichtungsmaterial dazwischen einzubringen. Durch ein erneutes Verpressen wird die Beschichtung 22 auf der Trägerstruktur 21' erzeugt.
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Um die Trägerstruktur 21 nicht zu beschädigen, dürfen beim Aufbringen des Beschichtungsmaterials sowie während des Pressvorgangs bestimmte Drücke nicht überschritten werden. Bei der Herstellung eines Bauteils 20, vgl. 1D, mit monolithischer Trägerstruktur 21 liegen diese Drücke im Bereich von 12 Bar bis 15 Bar, bevorzugt im Bereich von 12 Bar bis 13 Bar. Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 20', vgl. 1E, mit einem sandwichartigen Aufbau, besteht die Gefahr, dass die Abstandshalterschicht 211 kollabiert. In dieser Variante liegen die Drücke im Bereich bis zu 10 Bar. Jedoch können je nach Aufbau oder Material der Abstandshalterschicht 211 auch Drücke über 2 Bar die Abstandshalterschicht 211 beschädigen. In diesen Fällen liegen die Pressdrücke sowie der Druck beim Aufbringen des Beschichtungsmaterials im Bereich von bis zu 2 Bar.
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Von den im Vorhergehenden beschriebenen zwei Ausführungsformen des Verfahrens unterscheidet sich die dritte Verfahrensvariante grundsätzlich. Diese Verfahrensvariante dient zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in den 2A bis 2C gezeigt und umfasst nur einen einzigen Pressschritt.
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Ausgangspunkt dieser Verfahrensvariante ist der Auftrag einer Pulverschicht auf eine Wirkoberfläche der oberen Werkzeughälfte 11. In 2A ist das Werkzeug 10 in einer symbolischen, geöffneten Position dargestellt, in der die obere Werkzeughälfte 11 zur unteren Werkzeughälfte 12 angewinkelt ist. Gegebenenfalls erfolgt ein Auftrag einer zweiten, schneller härtenden Pulverschicht auf die vorbeschichtete Wirkoberfläche der oberen Werkzeughälfte 11. Danach wird ein mit Harzmaterial vorimprägniertes Halbzeug 21 auf die Wirkoberfläche der unteren Werkzeughälfte 12 aufgelegt, vgl. die Darstellung in 2B. Anschließend erfolgt in 2C ein Pressschritt. In diesem Pressschritt wird mit dem Werkzeug 10 bzw. mit den Werkzeughälften 11, 12 die dazwischenliegende Halbzeugstruktur und das zwischen den Werkzeughälften liegende Pulvermaterial mit Temperatur und/oder mit Druck beaufschlagt. Dadurch wird zeitgleich die Matrix der Trägerstruktur 21 und das Material zur Ausbildung der Beschichtung 22 ausgehärtet, so dass sowohl die Beschichtung 22 wie auch die Trägerstruktur 21 zeitgleich ausgebildet werden.
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Analog zur obigen Beschreibung mit Bezug zur 1D und 1E kann auch mit der in den 2A bis 2C beschriebenen Verfahrensvariante ein monolithischer Aufbau eines Kunststoffbauteils erzeugt werden, vgl. 2D. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann auch ein Aufbau generiert werden, in dem die Trägerstruktur 21' einen Sandwichaufbau aufweist, vgl. 2E. Die in der 2E dargestellte Trägerstruktur 21' umfasst eine Abstandshalterschicht 211, die ebenfalls aus Polyethylenterephthalat oder einem Polyethylenterephthalat Partikelschaum ausgebildet ist.
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Innerhalb der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahrensvarianten ist es jedoch zwingend erforderlich, dass der Aushärteprozess vollkommen abgeschlossen ist, d. h. es muss eine Glasübergangstemperatur definiert und überschritten werden, bei der die Kunststoffanteile der Matrix bzw. der Beschichtung vollständig aushärten. Dadurch ist sichergestellt, dass im weiteren Produktionsverlauf keine plastische Verformung des Bauteils mehr auftreten kann. Somit werden Einfallstellen und Welligkeiten an der Oberfläche bei einem nachträglichen Durchlauf einer KTL-Lackierung unterbunden. Der Aushärtegrad muss mindestens 98 % betragen. Gegebenenfalls ist ein zusätzlicher Temperprozess anzuschließen, um eine ausreichende Aushärtung und eine damit verbundene ausreichende Bauteilsteifigkeit zu erreichen und sicherzustellen.
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Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Bauteil einer nachträglichen KTL-Lackierung unterzogen werden kann, ohne dass ein Verzug bzw. eine Beeinträchtigung des Bauteils erfolgt. Bei dem Durchlauf des Bauteils durch den KTL-Ofen wird es mit Temperaturen im Bereich von bis zu 190 °C beaufschlagt. Nach dem Durchlauf des KTL-Ofens kann die Oberfläche zusätzlich mit einer Decklackschicht und einer Klarlackschicht überzogen werden, um ein optisch gefälliges Erscheinungsbild zu erzeugen.
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Ein mit den vorhergehenden Verfahrensvarianten beschriebenes Kunststoffbauteil bietet somit den Vorteil, dass es wie ein bisher bekanntes Blechteil behandelt werden kann und KTL-fähig ist. Dadurch kann es im Rohbau, d. h. im Montageprozess der Karosserie, bereits verbunden werden. Das Bauteil durchläuft damit den sogenannten Online-Fertigungsprozess, wie alle anderen Blechbauteile der Karosserie. Eine gesonderte Behandlung des Bauteils, bei dem dieses offline bearbeitet und lackiert wird und letztlich gesondert an die Karosserie montiert wird, kann entfallen. Dadurch können nachträgliche Montageschritte eingespart werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023132 A1 [0002]
