DE102020204871A1 - Process for the production of a sandwich component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (1) aus einem Partikelschaum-Formkörper (5) und zumindest einer Deckschicht (3), in welchem Verfahren die Deckschicht (3) als ein Einlegerteil in eine Werkzeugkavität (15) eines Aufschäum-Werkzeugs (17) eingelegt wird, in einem Füll-Schritt thermoplastische Partikel (25) in die Werkzeugkavität (15) injiziert werden, und in einem Schäum-Schritt die Partikel (25) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper (5) aufgeschäumt werden, wobei der Partikelschaum-Formkörper (5) beim Schäum-Schritt stoffschlüssig mit der Deckschicht (3) verbunden wird. Erfindungsgemäß sind für eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Partikelschaum-Formkörper (5) und der Deckschicht (3) das Material der Deckschicht (3) und das Material der thermoplastischen Partikel (25) aus demselben Polymertyp, insbesondere PET. The invention relates to a method for producing a sandwich component (1) from a particle foam molded body (5) and at least one cover layer (3), in which method the cover layer (3) as an insert part in a tool cavity (15) of a foaming tool ( 17) is inserted, in a filling step thermoplastic particles (25) are injected into the mold cavity (15), and in a foaming step the particles (25) are foamed under pressure and heat to form the particle foam molding (5), wherein the particle foam molded body (5) is materially bonded to the cover layer (3) during the foaming step. According to the invention, the material of the cover layer (3) and the material of the thermoplastic particles (25) are made of the same polymer type, in particular PET, for increased bonding strength between the particle foam molded body (5) and the cover layer (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Sandwichbauteil gemäß Anspruch 9 sowie eine Prozessanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10.The invention relates to a method for producing a sandwich component according to the preamble of
Partikelschaumbauteile bieten im Hinblick auf Leichtbau sowie auf Wärme- und Schallisolation ein breites Potential für den Einsatz im Automobilbau, etwa im Wohnmobilbau. Um eine gesteigerte Festigkeit sowie Oberflächenqualität zu erzielen, können die Partikelschaumbauteile in einer Sandwichbauweise integriert sein.Particle foam components offer a wide potential for use in automobile construction, for example in mobile home construction, with regard to lightweight construction as well as heat and sound insulation. In order to achieve increased strength and surface quality, the particle foam components can be integrated in a sandwich construction.
In gängiger Praxis erfolgt die Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers aus zum Beispiel expandiertem Polystyrol (EPS) industriell im Wesentlichen in zwei Prozessschritten: Im ersten Prozessschritt (Vorschäumen) wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt. Anschließend werden die Schaumperlen im zweiten Prozessschritt (Aufschäumen) in die Werkzeugkavität eines Aufschäumwerkzeugs eingefüllt und darin unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper aufgeschäumt. Der für das Vorschäumen und für das Aufschäumen erforderliche Wärmeenergie-Eintrag erfolgt in gängiger Praxis mittels Wasserdampf. Beim Vorschäumen bewirkt der Wasserdampf, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. Im Aufschäum-Schritt wird der Wasserdampf in die Werkzeugkavität zwischen die Schaumperlen geleitet, die aufschäumen und miteinander versintern.In common practice, a molded particle foam body made of expanded polystyrene (EPS), for example, is industrially produced in essentially two process steps: In the first process step (pre-foaming), a microgranulate loaded with blowing agent is first pre-foamed into foam beads. In the second process step (foaming), the foam beads are then poured into the mold cavity of a foaming tool and then foamed under pressure and heat to form the molded particle foam body. The heat energy input required for pre-foaming and foaming takes place in common practice by means of steam. During prefoaming, the water vapor causes the thermoplastic matrix of the microgranulate to soften and the blowing agents dissolved in it to pass into the gas phase, so that a foam structure (i.e. the foam beads) is formed. In the foaming step, the water vapor is fed into the mold cavity between the foam beads, which foam up and sinter together.
Ein solcher Partikelschaum-Formkörper kann Bestandteil eines Sandwichbauteils sein, bei dem der Partikelschaum-Formkörper mit zumindest einer Deckschicht überdeckt ist. In einem gattungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines solchen Sandwichbauteils wird die Deckschicht zunächst als ein Einlegerteil in die Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs eingelegt. Im anschließenden Füll-Schritt wird die Werkzeugkavität mit den thermoplastischen Partikeln gefüllt. Danach erfolgt ein Hinterschäum-Schritt, bei dem die Partikel unter Druck und Wärme das Einlegerteil hinterschäumen.Such a molded particle foam body can be part of a sandwich component in which the molded particle foam body is covered with at least one cover layer. In a generic method for producing such a sandwich component, the cover layer is first placed as an insert part in the tool cavity of the foaming tool. In the subsequent filling step, the mold cavity is filled with the thermoplastic particles. This is followed by a back-foaming step in which the particles back-foam the insert part under pressure and heat.
Bei Verwendung von Wasserdampf für den Wärmeenergie-Eintrag beim Hinterschäum-Schritt ist es erforderlich, dass die Deckschicht dampfdurchlässig ist. Eine solche dampfdurchlässige Deckschicht ist jedoch gerade bei komplizierteren Bauteilgeometrien des Sandwichbauteils von Nachteil. Zudem können bei dem im Schäumprozess hergestellten Sandwichbauteil Haftprobleme zwischen den Deckschichten und dem Kernmaterial auftreten.When using water vapor for the input of thermal energy in the back-foaming step, it is necessary that the cover layer is vapor-permeable. Such a vapor-permeable cover layer is, however, a disadvantage especially in the case of complex component geometries of the sandwich component. In addition, adhesion problems between the outer layers and the core material can occur in the sandwich component produced in the foaming process.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen der Deckschicht und dem Partikelschaum-Formkörper bereitstellt.The object of the invention is to provide a method for producing a sandwich component which, compared to the prior art, provides an increased connection strength between the cover layer and the particle foam molded body.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 9 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is achieved by the features of
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit im Stand der Technik meist durch einen zusätzlichen Fügeprozess (Kleben) erzielt wird, bei dem die zumindest eine Deckschicht mit dem Kernmaterial (das heißt dem Partikelschaum-Formkörper) verklebt wird. In gängiger Praxis wird im Stand der Technik kein sortenreines Material für sowohl die Deckschicht als auch das Kernmaterial verwendet, sondern werden vielmehr die Deckschichten mittels Kohle- oder Glasfasern verstärkt, um bessere Materialeigenschaften zu erzielen.The invention is based on the fact that an increased connection strength in the prior art is usually achieved by an additional joining process (gluing) in which the at least one cover layer is glued to the core material (i.e. the particle foam molding). In current practice, in the prior art no pure material is used for both the cover layer and the core material, but rather the cover layers are reinforced by means of carbon or glass fibers in order to achieve better material properties.
Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 für eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Partikelschaum-Formkörper und der Deckschicht sowohl die Deckschicht als auch die thermoplastischen Partikel aus demselben Polymertyp, insbesondere aus PET, hergestellt. Somit sind sowohl die Deckschicht als auch die der Partikelschaum-Formkörper materialidentisch, wodurch eine im Vergleich zu herkömmlichen Sandwichbauteilen gesteigerte Haftfestigkeit zwischen der Deckschicht und dem Partikelschaum-Formkörper erzielt wird.Against this background, according to the characterizing part of
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine PET Sandwichstruktur mit PET-Partikelschaumperlen. Diese wird in einem dampffreien Werkzeug hergestellt. Zunächst wird ein eigenverstärktes PET-Gewebe in das Werkzeug eingelegt und unter Druck und Temperatur verpresst (konsolidiert). Nach dem Pressen wird die Werkzeugkavität mit Partikeln befüllt. Die Partikel verschweißen durch Temperatur und Druck miteinander und verbinden sich mit dem PET- Gewebe.The present invention is a PET sandwich structure with PET particle foam beads. This is produced in a steam-free tool. First, a self-reinforced PET fabric is inserted into the tool and pressed (consolidated) under pressure and temperature. After pressing, the mold cavity is filled with particles. The particles weld together through temperature and pressure and bond with the PET fabric.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die dampffreie Herstellung von sortenreinen PET-Sandwichstrukturen, welche aus einem vorkonsolidierten PET- Gewebe (Deckschicht) sowie PET-Partikeln (Kernmaterial) bestehen. Die herzustellenden Sandwichstrukturen werden sortenrein und dampffrei hergestellt. Sie bestehen aus einem vorkonsolidierten PET-Fasergewebe (Deckschichten) und einem PET-Kernmaterial. Das PET-Fasergewebe wird zunächst durch einen Umformprozess (zum Beispiel in einer Pressmaschine) vorkonsolidiert. Hierbei besteht das thermoplastische Fasergewebe aus zwei Faserarten aus demselben Polymertyp. Die eine Faserart fungiert als Verstärkungsfaser (teilkristalline HTPET-Fasern), die andere Faserart (LPET-Fasern) als Matrix. Bei Erreichung der Schmelztemperatur der Matrix findet die Vorkonsolidierung des PET-Fasergewebes statt. Im Anschluss daran werden die PET Schaumpartikel (Kernmaterial) in die Werkzeugkavität gefüllt und unter Temperatur und Druck mit dem vorkonsolidierten PET- Fasergewebe zu einer PET-Sandwichstruktur verpresst. Anschließend findet die Abkühlung der Werkzeugform statt und die PET-Sandwichstruktur kann entnommen werden.An essential aspect of the invention relates to the steam-free production of pure PET sandwich structures, which consist of a preconsolidated PET fabric (cover layer) and PET particles (core material). The sandwich structures to be produced are produced in a single-variety and steam-free manner. They consist of a pre-consolidated PET fiber fabric (cover layers) and a PET core material. The PET fiber fabric is first pre-consolidated through a forming process (for example in a press machine). Here, the thermoplastic fiber fabric consists of two types of fibers from the same polymer type. One type of fiber acts as a reinforcement fiber (semi-crystalline HTPET fibers), the other type of fiber (LPET fibers) as a matrix. When the melting temperature of the matrix is reached, the pre-consolidation of the PET fiber fabric takes place. Then the PET foam particles (core material) are filled into the mold cavity and pressed together with the pre-consolidated PET fiber fabric to form a PET sandwich structure under temperature and pressure. The mold then cools down and the PET sandwich structure can be removed.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht also darin, dass für eine sortenreine Herstellung sowie für ein stoffliches Recycling materialgleiche Kern- wie auch Deckschichtmaterialien (zum Beispiel PET) gewählt werden sollen. Für das stoffliches Recycling ist PET gut geeignet. Stoffliches Recyceln findet sich oftmals zum Beispiel im Fahrzeug-Interieur wieder, wo Schaumstoffe mit Textildekoren häufig zum Einsatz kommen. Da bevorzugt sowohl das Fasergewebe als auch die Schaumpartikel aus PET bestehen, ergibt sich eine prozesstechnisch einfache Recycling-Möglichkeit.The core idea of the invention is therefore that core and outer layer materials of the same material (for example PET) should be selected for production of one type and for material recycling. PET is well suited for material recycling. Material recycling can often be found, for example, in vehicle interiors, where foams with textile decors are often used. Since both the fiber fabric and the foam particles are preferably made of PET, this results in a process-technically simple recycling option.
Allgemein ist der erfindungsgemäß verwendete Partikelschaum vielfältig einsetzbar. Speziell die dampffreie Verarbeitung sowie der sortenreine Materialeinsatz ermöglicht neue Sandwichstrukturen. Beispiele hierfür sind zum Beispiel Türinnenverkleidungen, Fußraumverkleidungen, Abdeckungen im Kofferraum oder dergleichen.In general, the particle foam used according to the invention can be used in a variety of ways. In particular, the steam-free processing and the use of pure materials enable new sandwich structures. Examples of this are, for example, interior door panels, footwell panels, covers in the trunk or the like.
Die Erfindung kann überall eingesetzt werden, wo Leichtbauthemen eine wichtige Rolle spielen, zum Beispiel in der Luft und Raumfahrttechnik oder im Schienen- und Schiffsverkehr. Die PET-Sandwichstrukturen aus Fasergewebe und Schaumpartikeln lassen sich überall dort integrieren, wo ausreichend Materialeigenschaften und Oberflächenqualitäten gefordert werden.The invention can be used wherever lightweight construction issues play an important role, for example in aerospace engineering or in rail and ship traffic. The PET sandwich structures made of fiber fabric and foam particles can be integrated wherever sufficient material properties and surface qualities are required.
Nachfolgend werden relevante Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Deckschicht bevorzugt aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt sein. Ausgangspunkt bei der Herstellung der Deckschicht kann ein flächiges Faserhalbzeug bilden, das aus Verstärkungsfasern und aus Matrixmaterial-Fasern besteht. Im Hinblick auf Sortenreinheit ist es bevorzugt, wenn sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Matrixmaterial-Fasern des Faserhalbzeugs aus demselben Polymertyp, das heißt insbesondere PET, hergestellt sind. Als besonders bevorzugt im Hinblick auf eine gesteigerte Festigkeit der Deckschicht können die Verstärkungsfasern teilkristalline HTPET-Fasern sein, während die Matrixmaterial-Fasern LPET-Fasern sein können. Die HTPET-Fasern sind hochfeste PET-Fasern (hochtemperaturbeständig). Demgegenüber sind die LPET-Fasern aus einem amorphen thermoplastischen Polyester gebildet, dass im Vergleich zu den HTPET-Fasern bei niedrigen Temperaturen aufschmilzt.Relevant aspects of the invention are emphasized again in detail below: For example, the cover layer can preferably be made from a fiber-reinforced plastic. The starting point for the production of the cover layer can be a flat semi-finished fiber product, which consists of reinforcing fibers and matrix material fibers. With regard to purity of type, it is preferred if both the reinforcing fibers and the matrix material fibers of the semifinished fiber product are made from the same type of polymer, that is to say in particular PET. As particularly preferred with regard to increased strength of the cover layer, the reinforcing fibers can be partially crystalline HTPET fibers, while the matrix material fibers can be LPET fibers. The HTPET fibers are high-strength PET fibers (high temperature resistant). In contrast, the LPET fibers are made of an amorphous thermoplastic polyester that, compared to the HTPET fibers, melts at low temperatures.
Das Faserhalbzeug kann in einem Heizpress-Schritt unter Druck und Wärme verpresst und erhitzt werden. Dadurch erfolgt eine Vorkonsolidierung, bei der die Matrixmaterial-Fasern zu einer Matrix aufgeschmolzen werden, in der die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Das vorkonsolidierte Faserhalbzeug kann vor Durchführung des Schäum-Schritts als ein Einlegerteil in die Werkzeugkavität des Schäum-Werkzeugs eingelegt werden. Bevorzugt kann das Faserhalbzeug im Heizpress-Schritt bereits endkonturnah vorgeformt werden.The semi-finished fiber product can be pressed and heated in a hot pressing step under pressure and heat. This results in a pre-consolidation in which the matrix material fibers are melted to form a matrix in which the reinforcing fibers are embedded. The pre-consolidated semifinished fiber product can be inserted into the mold cavity of the foaming tool as an insert part before the foaming step is carried out. The semifinished fiber product can preferably already be preformed to near net shape in the hot-pressing step.
In einer bevorzugten Prozessführung kann sowohl der Heizpress-Schritt als auch der Schäum-Schritt im Aufschäum-Werkzeug stattfinden. Das Aufschäum-Werkzeug kann beispielhaft zwei Werkzeughälften aufweisen, die die Werkzeugkavität begrenzen und die mittels einer Temperieranlage beheizbar sind, um im Heizpress-Schritt sowie im Schäum-Schritt einen Wärmeenergie-Eintrag in die Werkzeugkavität zu gewährleisten. Prozesstechnisch einfach ist es, wenn die Werkzeughälften des Aufschäum-Werkzeugs Fluid-Kanäle aufweisen, die mit einem Heizmedium durchströmbar sind. Die Fluid-Kanäle können Bestandteil der Temperieranlage sein, um im Schäum-Schritt eine variotherme Temperierung zu ermöglichen. In a preferred process management, both the hot pressing step and the foaming step can take place in the foaming tool. The foaming tool can, for example, have two tool halves which delimit the tool cavity and which can be heated by means of a temperature control system in order to ensure an input of heat energy into the tool cavity in the hot-pressing step and in the foaming step. In terms of process technology, it is simple if the tool halves of the foaming tool have fluid channels through which a heating medium can flow. The fluid channels can be part of the temperature control system in order to enable variothermal temperature control in the foaming step.
Zur Durchführung des Heizpress-Schritts kann das noch unbehandelte Faserhalbzeug in die Werkzeugkavität des Aufschäum-Werkzeugs eingelegt werden. Anschließend wird das Faserhalbzeug zwischen den beiden Werkzeughälften unter Druck und Wärme vorkonsolidert.To carry out the hot pressing step, the as yet untreated semi-finished fiber product can be inserted into the mold cavity of the foaming tool. The semi-finished fiber product is then pre-consolidated between the two mold halves under pressure and heat.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es zu beachten, dass die aus Polymer-Material gebildete Deckschicht dampfundurchlässig ist. Im Hinblick auf eine betriebssichere Prozessführung ist es daher bevorzugt, wenn der beim Schäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag in die Partikel dampffrei bzw. oder Wasserdampf erfolgt, sondern vielmehr über die beheizten Werkzeughälften erfolgt.In the method according to the invention, it must be ensured that the cover layer formed from polymer material is impermeable to vapor. With regard to an operationally reliable process management, it is therefore preferred if the thermal energy input into the particles required in the foaming step takes place in the absence of vapor or water vapor, but rather takes place via the heated mold halves.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.
Es zeigen:
-
1 in einer vergrößerten Teilschnittansicht den Materialaufbau eines fertiggestellten Sandwichbauteils; -
2 eine skizzenhafte Darstellung der Prozessschritte zur Herstellung des Sandwichbauteils; -
3 und4 jeweils grob schematisch eine Anlageskizze einer Prozessanordnung in unterschiedlichen Betriebszuständen.
-
1 in an enlarged partial sectional view the material structure of a finished sandwich component; -
2 a sketchy representation of the process steps for the production of the sandwich component; -
3 and4th each roughly schematically a system sketch of a process arrangement in different operating states.
In der
Nachfolgend werden anhand der
In der
Das flächige Faserhalbzeug
Die derart vorkonsolidierten Faserhalbzeuge
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass sowohl die beiden Deckschichten
Wie aus der
Anhand der
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SandwichbauteilSandwich component
- 33
- DeckschichtenTop layers
- 55
- Partikelschaum-FormkörperParticle foam moldings
- 77th
- VerstärkungsfasernReinforcement fibers
- 99
- Matrixmatrix
- 1111
- FaserhalbzeugSemi-finished fiber products
- 1313th
- Matrixmaterial-FasernMatrix material fibers
- 1515th
- WerkzeugkavitätMold cavity
- 1717th
- Schäum-WerkzeugFoaming tool
- 19, 2119, 21
- WerkzeughälftenTool halves
- 2323
- Partikel-ReservoirParticle Reservoir
- 2525th
- thermoplastische Partikelthermoplastic particles
- 2727
- SaugleitungSuction line
- 2929
- InjektorInjector
- 3131
- Injektor-LeitungInjector line
- 3333
- TemperieranlageTemperature control system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- DE 10036185 A1 [0006]DE 10036185 A1 [0006]
- WO 03/033259 A1 [0006]WO 03/033259 A1 [0006]
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-
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