DE102022122808A1

DE102022122808A1 - Holz-Kunststoff-Hybridbauteil

Info

Publication number: DE102022122808A1
Application number: DE102022122808.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kellner; Scally Rommelfanger; David Schmidt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-14
Also published as: US20240083080A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) bestehend aus einem Holzteil (30) und einem formschlüssig verbundenen Kunststoffteil (20),wobei das Holzteil (30) eine Strukturzone (32) aufweist, die eine maschinell verformte und geschlossene Oberflächenstrukturierung (33) mit maschinell verformten Vertiefungen (34) aufweist,wobei das Kunststoffteil (20) eine Formschlusszone (22) mit Erhöhungen (24) aufweist, die in die komplementären Vertiefungen (34) der Oberflächenstrukturierung (33) eingreifen, so dass ein vollflächiger Formschluss in Querrichtung zu den Vertiefungen (34) realisiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Holz-Kunststoff-Hybridbauteil, das vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt wird.
Auch im Fahrzeugbau besteht grundsätzlich die Forderung, Bauteile aus möglichst nachhaltigen Rohstoffen herzustellen, und insbesondere Kunststoff-Bauteile durch Bauteile aus einem nachhaltigen Rohstoff zu ersetzen. Holz ist ein nachhaltiger Rohstoff. Reine Holz-Bauteile können im Fahrzeugbau häufig die erforderlichen komplexen Strukturen nicht zur Verfügung stellen. Holz-Kunststoff-Hybridbauteile können dagegen dazu geeignet sein, reine Kunststoff-Bauteile zu ersetzen, um auf diese Weise den Kunststoffeinsatz zu verringern. Die flächige und strukturarme Komponente kann hierbei durch die Holz-Komponente dargestellt werden, die strukturkomplexe Komponente kann dagegen durch die Kunststoff-Komponente dargestellt werden.
Ein derartiges Holz-Kunststoff-Hybridbauteil für den Fahrzeugbau ist bekannt aus DE 10 2019 131 625 A1 . Hierbei umgreift das Kunststoff-Bauteil den Randbereich des Holz-Bauteils klammerartig, um auf diese Weise das Kunststoffteil an dem Holzteil zu fixieren. Da Kunststoff und Holz jedoch artfremde Materialien sind, ist beispielsweise eine auch dauerhaft hochfeste stoffschlüssige Verbindung durch Verklebung nicht möglich. Ein derartiges Hybridbauteil kommt daher bei hohen mechanischen Festigkeits-Anforderungen nicht in Frage.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Holz-Kunststoff-Hybridbauteil für den Fahrzeugbau zu schaffen, das für hohe Festigkeit-Anforderungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Holz-Kunststoff-Hybridbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Holz-Kunststoff-Hybridbauteil besteht aus einem Holzteil und einem formschlüssig mit dem Holzteil verbundenen Kunststoffteil. Das Holzteil weist in einem Randbereich eine Strukturzone auf, die eine maschinell verformte und geschlossene Oberflächenstrukturierung mit maschinell geformten Vertiefungen aufweist. Unter einer geschlossenen Oberflächenstrukturierung wird vorliegend eine Oberflächenstrukturierung verstanden, die frei von durch das gesamte Holzteil durchgehenden Öffnungen ist, sondern die ausschließlich geschlossene Vertiefungen aufweist. Unter der Oberflächenstrukturierung ist vorliegend nicht eine gegebenenfalls natürliche Oberflächenstrukturierung des Holzteils zu verstehen, sondern ausschließlich eine Strukturierung, die durch maschinelle Verformung generiert wurde. Die Oberflächenstrukturierung ist nicht spanabhebend erzeugt, so dass die Holzfasern lokal zwar verformt, jedoch nicht durchgetrennt sind.
Die maschinelle Verformung kann beispielsweise durch Rändeln, Stempel-Verprägen oder Strukturwalzen, oder durch Integration eines korrespondierenden Negativprofils in ein Holzumformwerkzeug etc. geschaffen werden. Die maschinelle Verformung kann bei verschiedenen Temperaturen und Feuchtigkeitsgehalten von dem Werkzeug bzw. dem Holzteil erfolgen. Vorzugsweise ist das Holzteil während der maschinellen Umformung jedoch sowohl feuchter als auch wärmer als das das Holzteil umgebende Raumklima.
Für das Holzteil kommen verschiedene Holzsorten in Frage, beispielsweise Buche, Eiche, Fichte, Tanne, Balsa, Bambus etc. Das Holzteil kann einschichtig, kann jedoch auch mehrschichtig ausgebildet sein.
Das Kunststoffteil weist wiederum eine Formschlusszone mit zu den Holzteil-Vertiefungen komplementären Erhöhungen auf, die in die Holzteil-Vertiefungen derart eingreifen, dass ein großflächiger Formschluss in Querrichtung zu den Vertiefungen realisiert ist. Grundsätzlich kann das Kunststoffteil bereits vor dem Zusammenbau mit dem Holzteil gefertigt sein und die Formschlusszone mit zu den Holzteil-Vertiefungen komplementären Erhöhungen aufweisen. Vorzugsweise ist das Kunststoffteil mit seiner Formschlusszone jedoch durch einen Spritzguss-Prozess erzeugt, bei dem die Strukturzone des Holzteils in die Spritzgussform eingelegt wurde und die Formschlusszone des Kunststoffteils direkt an die Holzteil-Strukturzone angespritzt wird.
Als Kunststoff kommt insbesondere ein Thermoplast, vorzugsweise Polypropylen, Polyamid oder ein Biopolymer infrage. Das Kunststoffteil kann unverstärkt ausgebildet sein, ist vorzugsweise jedoch verstärkt ausgebildet, insbesondere kurzfaserverstärkt, langfaserverstärkt oder endlosfaserverstärkt. Die Verstärkungsfasern können aus Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, Basaltfasern, Naturfasern bzw. Pflanzenfasern bestehen.
Vorzugsweise beschreiben die Vertiefungen der Oberflächenstrukturierung des Holzteils ein regelmäßiges Muster.
Vorzugsweise ist das Holzteil aus einem plattenförmigen Holzkörper gebildet und ist die Strukturzone in einem Holzkörper-Randbereich vollflächig ausgebildet. Der Holzkörper-Randbereich kann im Bereich der Strukturzone eine geringere Materialdicke aufweisen als außerhalb der Strukturzone. Die Strukturzone des Holzteils kann also verdichtet sein gegenüber der angrenzenden nicht-strukturierten Zone des Holzteils.
Vorzugsweise besteht das Holzteil im Bereich der Oberflächenstrukturierung aus Vollholz.
Vorzugsweise ist die Strukturzone flächenmäßig mindestens 10 % größer als die Formschlusszone, so dass stets sichergestellt ist, dass die gesamte an das Holzteil unmittelbar angrenzende Fläche des Kunststoffteils für den Formschluss genutzt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vertiefungen eine Tiefe haben, die maximal 15 % der Gesamt-Materialstärke des Holzteils im Bereich der Strukturzone beträgt. Wenn auf beiden Seiten des Holzteils jeweils eine Strukturzone vorgesehen ist, sollte die Summe aus der Gesamt-Tiefe der Vertiefungen beider Seiten maximal 25 % der maximalen Materialstärke des Holzteils im Bereich außerhalb der Strukturzone betragen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Komprimierung des Holzteils im Bereich der Strukturzone stets so gering ausfällt, dass durch die maschinelle Erzeugung der Vertiefungen das Holzteil in diesem Bereich nicht zu stark mechanisch geschwächt wird.
Vorzugsweise ist das Holzteil aus einem plattenförmigen Holzkörper gebildet, und ist die Strukturzone in dem Holzkörper-Randbereich vollflächig ausgebildet. Unter vollflächig wird vorliegend verstanden, dass die Strukturzone sich über die gesamte Breite des betreffenden Randbereichs erstreckt, und die Oberflächenstrukturierung nicht nur partiell in dem Randbereich vorgesehen ist.
Vorzugsweise besteht im Bereich der Formschlusszone kein Stoffschluss zwischen dem Holzteil und dem Kunststoffteil, insbesondere sind das Holzteil und das Kunststoffteil in diesem Bereich nicht miteinander verklebt.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Holz-Kunststoff-Hybridbauteil ein Halbzeug, das durch entsprechende, insbesondere materialabhebende, Bearbeitung bearbeitet wird, um aus dem Halbzeug ein funktionales Bauteil, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Holz-Kunststoff-Hybridbauteil in perspektivischer Ansicht, bestehend aus einem Holzteil und einem Kunststoffteil,
2 einen Querschnitt des Holz-Kunststoff-Hybridbauteils der 1 im Bereich der Verbindung zwischen dem Holzteil und dem Kunststoffteil, und
3a, 3b und 3c das Holzteil der 1 und 2 mit verschieden gestalteten Strukturzonen.

In den 1 und 2 ist ein Teil eines Holz-Kunststoff-Hybridbauteils 10 dargestellt, das vorliegend ein Halbzeug für die Anfertigung eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs ist. Das Hybridbauteil 10 besteht aus einem brettartigen Holzteil 30 und einem formschlüssig damit verbundenen Kunststoffteil 20.
Das rechteckige Holzteil 30 wird von einem Holzkörper 31 aus Vollholz gebildet, beispielsweise aus Buchen-, Eichen-, Fichten-, Tannen-, Balsa- oder Bambusholz.
Das Kunststoffteil 20 besteht aus einem einstückigen Kunststoffkörper 21, der in einer Querschnittsebene XY betrachtet gabelartig ausgebildet ist und zwei Gabelarme aufweist. Der Kunststoffkörper 21 besteht aus einem Thermoplast, beispielsweise aus Polypropylen, Polyamid oder einem Biopolymer. Das Kunststoffteil 20 kann kurzfaserverstärkt, langfaserverstärkt oder endlosfaserverstärkt ausgebildet sein. Als Verstärkungsfasern kommen insbesondere Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, Basaltfasern oder Naturfasern in Frage.
Der Randstreifen bzw. Randbereich des Holzteils 30 weist eine Strukturzone 32 auf, die eine ausschließlich maschinell geformte und geschlossene Oberflächenstrukturierung 33 mit maschinell geformten Vertiefungen 34 aufweist. Die Oberflächenstrukturierung 33 kann beispielsweise durch Rändeln, Stempel-Verprägen oder Strukturwalzen hergestellt worden sein.
Das Kunststoffteil 20 weist eine hierzu korrespondierende gabelförmige Formschlusszone 22 auf, in der die beiden proximalen Gabelfinger-Seiten, die dem Holzteil 30 zugewandt sind, Erhöhungen 24 aufweisen, die in die komplementären Vertiefungen der Oberflächenstrukturierung 33 vollflächig eingreifen. Hierdurch wird im Randbereich des Holzteils 30 beidseitig ein flächiger Formschluss realisiert, der in den beiden Querrichtungen X, Z zu den Vertiefungen 34 wirkt. Zwischen dem Holzteil 30 und dem Kunststoffteil 20 besteht insbesondere im Bereich der Formschlusszone 22 keinerlei Stoffschluss.
Wie in der 2 dargestellt ist, ist die Strukturzone 32 in Richtung Holzteil-Mitte flächenmäßig ca. 40 % größer als die korrespondierende Formschlusszone 22 des Kunststoffteils 20. Die Vertiefungen 34 auf beiden Seiten weisen eine Tiefe Y34 auf, die vorliegend ca. 10 % der Gesamt-Materialstärke Y30 des Holzteils 30 im Bereich der Strukturzone 32 beträgt.
Zur Herstellung der des Holz-Kunststoff-Hybridbauteils 10 wird zunächst das Holzteil 30 in seinem Randbereich maschinell beidseitig mit der Oberflächenstrukturierung 33 versehen, beispielsweise durch Strukturwalzen. Anschließend wird das auf diese Weise bearbeitete Holzteil 30 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und wird das Spritzgusswerkzeug geschlossen. Anschließend erfolgt der Spritzgussprozess, bei dem das Kunststoffteil 20 und insbesondere die Formschlusszone 22 gebildet wird. Nach dem Aushärten des Kunststoffteils 20 steht das Holz-Kunststoff-Hybridbauteil als Halbzeug zur Verfügung.
Alternativ kann die Herstellung des Kunststoffteils 20 auch durch Pressen eines pressbaren Kunststoff-Halbzeugs erfolgen.
In den 3a, 3b, und 3c ist jeweils ein Holzteil 30 mit einer alternativen Oberflächenstrukturierung 33', 33'', 33''' dargestellt: In der 3a wird die Oberflächenstrukturierung 33' im Wesentlichen durch kugelförmige Vertiefungen 34' gebildet. In der 3b wird die Oberflächenstrukturierung 33" im Wesentlichen durch rechteckige oder pyramidenförmige Vertiefungen 34" gebildet. In der 3c wird die Oberflächenstrukturierung 33''' im Wesentlichen durch zueinander parallele rillenförmige Vertiefungen 34''' gebildet, wobei die Längsrichtungen der rillenförmigen Vertiefungen 34''' ungefähr parallel zum angrenzenden Rand des Holzteils 30 verlaufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019131625 A1 [0003]

Claims

Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) bestehend aus einem Holzteil (30) und einem formschlüssig verbundenen Kunststoffteil (20), wobei das Holzteil (30) eine Strukturzone (32) aufweist, die eine maschinell verformte und geschlossene Oberflächenstrukturierung (33) mit maschinell geformten Vertiefungen (34) aufweist, und wobei das Kunststoffteil (20) eine Formschlusszone (22) mit Erhöhungen (24) aufweist, die in die komplementären Vertiefungen (34) der Oberflächenstrukturierung (33) eingreifen, so dass ein vollflächiger Formschluss in Querrichtung zu den Vertiefungen (34) realisiert ist.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen (34) ein regelmäßiges Muster beschreiben.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vertiefungen (34) eine Tiefe (Y34) haben, die maximal 15% der Materialstärke (Y30) des Holzteils (30) im Bereich der Strukturzone (32) beträgt.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Holzteil (30) aus einem plattenförmigen Holzkörper (31) gebildet ist und die Strukturzone (32) in einem Holzkörper-Randbereich vollflächig ausgebildet ist.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Holzteil (30) im Bereich der Oberflächenstrukturierung (33) aus Vollholz besteht und die Oberflächenstrukturierung (33) nicht materialabhebend hergestellt ist.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Strukturzone (32) mindestens 10 % größer ist als die Formschlusszone (22).
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Bereich der Formschlusszone (22) kein Stoffschluss zwischen dem Holzteil (30) und dem Kunststoffteil (20) besteht.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Hybridbauteil (10) ein Halbzeug ist.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vertiefungen (34) mittels Rändeln mit einer Rolle oder Walze eingebracht werden oder mittels eines Druckstempels in einem Auf-Zu-Werkzeug eingebracht werden.
Holz-Kunststoff-Hybridbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Holzteil (30) im Randbereich beidseitig eine Strukturzone (32) aufweist, welche beidseitig vom Kunststoffteil (20) mit korrespondierenden Formschlusszonen (22) formschlüssig verbunden ist, wobei das Holzteil (30) zusätzlich Durchgangslöcher aufweist, die so mit dem Kunststoffteil (20) gefüllt sind, dass beide Formschlusszonen (22) den Kunststoffteils (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Holz-Kunststoff-Hybridbauteils (10) mit den Merkmalen eines der vorangegangenen Ansprüche, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Bereitstellung des zumindest einen Holz-Halbzeugs, b. Einbringen der Vertiefungen in das Holz-Halbzeug zur Erstellung des Holzteils (30) c. Einlegen des Holzhalbzeugs in ein Spritzguss- oder Presswerkzeug, und d. Herstellung des Kunststoffteil (20) mittels Spritzgussprozess oder Pressprozess.