DE102020204873A1

DE102020204873A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils

Info

Publication number: DE102020204873A1
Application number: DE102020204873.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hain; Nina Gerlach; Christian Ohse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (1) aus einem Partikelschaum-Formkörper (3) und einer Deckschicht (5), in welchem Verfahren die Deckschicht (5) als Einlegerteil in eine Werkzeugkavität (15) eingelegt wird, in einem Füll-Schritt thermoplastische Partikel (8) in die Werkzeugkavität (15) gefüllt werden, und in einem Hinterschäum-Schritt die Partikel (8) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper (3) aufgeschäumt werden. Erfindungsgemäß erfolgt der beim Hinterschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag in die Partikel (8) dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf. Das das Material der Deckschicht (5) ist wasserdampfundurchlässig.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Sandwichbauteil gemäß Anspruch 6 sowie eine Prozessanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 7.
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.
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 Wärmeenergieeintrag 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.
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.
Bei Verwendung von Wasserdampf für den Energieeintrag 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.
Aus der DE 10 2018 202 145 A1 ist eine Werkzeugvorrichtung zur Herstellung von Kunststoffbauteilen mit elektrisch leitfähigen Additiven bekannt. Aus der DE 197 54 834 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik eine größere Deckschicht-Materialauswahl ermöglicht.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 6 oder des Anspruches 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass bei gängigen, mit Wasserdampf arbeitenden Prozessen zur Herstellung von Partikelschaum-Formkörpern lediglich wasserdampfdurchlässige Deckschichten als Einlegerteil nutzbar sind. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 bei der erfindungsgemäßen Prozessführung auf die Verwendung von Wasserdampf verzichtet. Anstelle dessen erfolgt der beim Hinterschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag in die Partikel dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf. Ein solcher wasserdampffreier Wärmeenergie-Eintrag ermöglicht den Einsatz eines wasserdampfundurchlässigen Einlegerteils, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich einfacher kompliziertere Bauteilgeometrie des Sandwichbauteils realisierbar sind.
Bei der Erfindung handelt es sich um das Hinterschäumen von zum Beispiel einer Holzplatte (d.h. Holz-Deckschicht) mit Partikelschaum. Dabei wird die Holzplatte in das Werkzeug eingelegt. Im Anschluss daran wird das dampffreie Werkzeug mit Partikeln befüllt. Der Verschweißungsprozess der Partikel wird durch eine variotherme Temperierung erreicht. Während des Vorgangs verschweißen Partikelschaum und Holzplatte zu einer Sandwichstruktur. Ein verfahrenstechnischer Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, dass durch die Verwendung einer dampffreien Herstellung von Partikelschaumbauteilen das Hinterschäumen von nicht dampfdurchlässigen Materialien, etwa Holz, ermöglicht wird.
Zu Beginn des Urformprozesses wird die Holzplatte in die Werkzeugkavität eingelegt. Im Anschluss daran werden die Partikel in die geschlossene Werkzeugkavität gefüllt. Durch das Schließen des Werkzeuges werden die Partikel zusammengepresst und an das Holz gedrückt. Durch eine variotherme Temperierung mit Fluidkanälen im Werkzeug wird das Werkzeug aufgeheizt und anschließend wieder abgekühlt. Durch das Aufheizen verschweißen die Partikel untereinander und mit dem Holz, sodass sich eine Sandwichstruktur bildet. Anschließend kann das Bauteil entformt werden.
Mögliche Varianten bieten andere Materialien, die das Holz ersetzen können. Diese können aufgrund der variothermen Prozessführung ohne Dampf nicht dampfdurchlässig sein, das heißt eine für Wasser oder Wasserdampf geschlossene Oberfläche aufweisen.
Erfindungsgemäß kann also das Material (zum Beispiel Holz), das mit den Partikeln eine Verbindung eingeht, dampfdurchlässig oder auch nicht dampfdurchlässige sein. Zudem können durch den Einsatz dampffreier Verfahren elektrische Sensoren in das Sandwichbauteil eingebunden werden. Zusammengefasst besteht der Kern der Erfindung im Hinterschäumen von geschlossenen Oberflächen, zum Beispiel Holz, mit einem dampffreien Partikelschaumverfahren sowie in der Verwendung einer rein variothermen Temperierung.
Der Partikelschaum ist vielfältig einsetzbar sowie leicht. Dessen dampffreie Verarbeitung ermöglicht neue Sandwichstrukturen. Beispielhaft kann das erfindungsgemäße Sandwichbauteil als eine Wandisolierung mit Holz in Wohnmobilbereich, Türinnenverkleidungen, Fußraumverkleidungen oder dergleichen realisiert sein. Die Sandwichstruktur aus Partikelschaum und Holz lässt sich überall dort integrieren, wo eine Oberfläche im Sichtbereich mit einer ausreichenden Oberflächenqualität und einer guten Isolation (Wärme, Schall) gefordert wird.
Nachfolgend werden relevante Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann in einer bevorzugten technischen Umsetzung das Deckschicht-Material Holz sein. Im Hinblick auf einem dampffreien Energieeintrag können die Werkzeughälften des Aufschäumwerkzeugs Fluid-Kanäle aufweisen, die mit Heizmedium durchströmbar sind. Die Fluid-Kanäle der Werkzeughälften können Bestandteil einer Temperieranlage sein, mittels der im Aufschäum-Schritt die Heizmedium-Strömung durch die Fluid-Kanäle der Werkzeughälften steuerbar ist, damit im Aufschäum-Schritt variotherm temperiert werden kann.
Bei der Verwendung von Holz als Deckschicht für das Sandwichbauteil ist eine einwandfreie Haftverbindung zwischen dem Schaummaterial des Partikelschaum-Formkörpers und der Holz-Deckschicht von größter Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist die nachfolgend beschriebene Prozessführung von Vorteil: Demnach können für den Füll-Schritt die beiden Werkzeughälften des Aufschäumwerkzeugs in eine erste Geschlossenstellung verbracht sein, in der das von geschlossenen Werkzeugkavität bereitgestellte Füllvolumen vergleichsweise noch groß ist. Vor dem Start des Hinterschäum-Schrittes erfolgt unter Werkzeug-Verschiebung ein Druckaufbau-Hub, bei dem die Werkzeughälften von der ersten Geschlossenstellung bis in eine zweite Geschlossenstellung hubverstellbar sind. In der zweiten Geschlossenstellung ist das Kavitätsvolumen der Werkzeugkavität im Vergleich zur ersten Geschlossenstellung reduziert. Dadurch werden die Partikel in der Werkzeugkavität zusammengepresst und an das Einlegerteil gedrückt. In der zweiten Geschlossenstellung der Werkzeughälften erfolgt dann der Hinterschäum-Schritt, bei dem die Partikel unter Druck und Wärme aufgeschäumt werden und in Haftverbindung mit der wasserdampfundurchlässigen Deckschicht treten.
Die thermoplastischen Partikel können in gängiger Praxis als bereits vorgeschäumte Schaumperlen in einem Partikel-Reservoir einer Prozessanordnung vorgehalten sein. Die Schaumperlen werden in einem Vorschäum-Schritt aus zum Beispiel Polystyrol vorgeschäumt. Hierzu wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat erwärmt und zu den Schaumperlen vorgeschäumt. Beim Vorschäumen bewirkt der Wärmeeintrag, 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.
Das Partikel-Reservoir ist über eine Saugleitung mit zumindest einem werkzeugseitigen Injektor verbunden. In einem Injektions-Schritt können die Partikel aus dem Partikel-Reservoir zusammen mit dem gasförmigen Fördermedium (das heißt Luft) in den Injektor gesaugt werden und von dort über eine Injektordüse in die Werkzeugkavität injiziert werden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 4 jeweils Anlageskizzen einer Prozessanordnung, anhand derer die Prozessschritte zur Herstellung eines Sandwichbauteils veranschaulicht sind.

In der 1 ist eine Prozessanordnung zur Herstellung eines in der 4 gezeigten Sandwichbauteils 1 angedeutet. Das Sandwichbauteil 1 weist einen Partikelschaum-Formkörper 3 auf, der in fester Haftverbindung mit einer Holz-Deckschicht 5 ist, die den Partikelschaum-Formkörper 3 überdeckt. Zur Herstellung des Sandwichbauteils 1 weist die Prozessanordnung in der 1 ein Partikel-Reservoir 7 auf, in dem bereits vorgeschäumte Schaumperlen 8 vorgehalten sind. Die Schaumperlen 8 werden in einem nicht gezeigten Vorschäum-Prozessschritt hergestellt, bei dem ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zu den Schaumperlen vorgeschäumt wird. An das Partikel-Reservoir 7 ist eine Saugleitung 9 angeschlossen, die in Verbindung mit einem Injektor 11 ist. Dessen Injektordüse 13 mündet in eine Werkzeugkavität 15 eines Aufschäum-Werkzeugs 17. Das Aufschäum-Werkzeug 17 weist zwei Werkzeughälften 19, 21 auf, die die Werkzeugkavität 15 begrenzen. In den beiden Werkzeughälften 19, 21 sind nicht gezeigte Fluid-Kanäle ausgebildet, die Bestandteil einer Temperieranlage 23 sind. Mittels der Temperieranlage 23 wird in den Fluid-Kanälen der Werkzeughälften 19, 21 ein Heizmedium umgewälzt, so dass im Hinterschäum-Schritt variotherm temperiert wird.
Nachfolgend wird eine Prozessabfolge zur Herstellung des Sandwichbauteils 1 beschrieben: Demzufolge wird in einem Einlege-Schritt (1) zunächst ein Holz-Einlegerteil, das die Deckschicht 5 bildet, in die offene Werkzeugkavität 15 eingelegt. Anschließend werden die beiden Werkzeughälften 19, 21 in eine erste Geschlossenstellung (2) verbracht, in der die Werkzeugkavität 15 geschlossen ist und ein vergleichsweise großes Füllvolumen bereitstellt. In der ersten Geschlossenstellung (2) erfolgt der Füll-Schritt, bei dem über die Saugleitung 9 ein Partikel-Luft-Strom angesaugt wird und dieser über den Injektor 11 in die Werkzeugkavität 15 injiziert wird. Die zusammen mit den Partikeln 8 in die Werkzeugkavität 15 einströmende Luft kann über nicht gezeigte Tauchkanten oder Entlüftungsbohrungen aus der Werkzeugkavität 15 entweichen. Nach Abschluss des Füllschrittes (2) erfolgt ein Druckaufbau-Hub (3), bei dem die Werkzeughälften 19, 21 um einen Hubweg Δh (3) bis in eine zweite Geschlossenstellung hubverstellt werden.
In der zweiten Geschlossenstellung ist das Kavitätsvolumen der Werkzeugkavität 15 im Vergleich zur ersten Geschlossenstellung (2) reduziert. Auf diese Weise werden die Partikel 8 bereits vor Durchführung des Hinterschäum-Schritts in der Werkzeugkavität 15 vorgepresst und gegen das Holz-Einlegerteil 5 gedrückt. Nach dem Druckaufbau-Hub Δh wird der Aufschäum-Schritt durchgeführt, bei dem unter weiterem Druckaufbau sowie unter Wärme ein Hinterschäumen des Holz-Einlegerteils 5 erfolgt, wodurch sich eine feste Haftverbindung zwischen dem Holz-Einlegerteil 5 und dem sich bildenden Partikelschaum-Formkörper 3 ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Sandwichbauteil
3: Partikelschaum-Formkörper
5: Holz-Deckschicht
7: Partikel-Reservoir
8: Partikel
9: Saugleitung
11: Injektor
13: Injektordüse
15: Werkzeugkavität
17: Aufschäumwerkzeug
19,21: Werkzeughälften
23: Temperieranlage
Δh: Druckaufbau-Hub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018202145 A1 [0006]
DE 19754834 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (1) aus einem Partikelschaum-Formkörper (3) und zumindest einer Deckschicht (5), in welchem Verfahren die Deckschicht (5) als Einlegerteil in eine Werkzeugkavität (15) eingelegt wird, in einem Füll-Schritt thermoplastische Partikel (8) in die Werkzeugkavität (15) injiziert werden, und in einem Hinterschäum-Schritt die Partikel (8) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper (3) aufgeschäumt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Hinterschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag in die Partikel (8) dampffrei beziehungsweise ohne Wasserdampf erfolgt, und dass das Material der Deckschicht (5) wasserdampfundurchlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckschicht-Material Holz ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkavität (15) von Werkzeughälften (19, 21) begrenzt ist, und dass zur Durchführung des Hinterschäum-Schritts die Werkzeughälften (19, 21) mittels einer Temperieranlage (23) beheizbar sind, mittels der im Hinterschäum-Schritt variotherm temperiert werden kann, und dass insbesondere die Werkzeughälften (19, 21) Fluid-Kanäle aufweisen, die mit Heizmedium durchströmt sind, und dass die Fluid-Kanäle Bestandteil der Temperieranlage (23) sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Füll-Schritt die beiden Werkzeughälften (19, 21) in einer ersten Geschlossenstellung positioniert sind, in der das von der geschlossenen Werkzeugkavität (15) bereitgestellte Füllvolumen groß ist, und dass nach dem Füll-Schritt sowie vor dem Hinterschäum-Schritt ein Druckaufbau-Hub (Δh) erfolgt, bei dem die Werkzeughälften (19, 21) in eine zweite Geschlossenstellung hubverstellt werden, in der das Kavitätsvolumen der Werkzeugkavität (15) im Vergleich zur ersten Geschlossenstellung reduziert ist, wodurch die Partikel (8) in der Werkzeugkavität (15) vorverdichtet beziehungsweise zusammengepresst und an das Einlegerteil (5) gedrückt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Füll-Schritt die thermoplastischen Partikel (8) in einem Partikel-Luft-Strom aus einem Partikel-Reservoir (7) angesaugt werden, und dass der Partikel-Luft-Strom über einen Injektor (11) in die Werkzeugkavität (15) injiziert wird.
Sandwichbauteil, das in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.