DE10253825A1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes - Google Patents

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Maik Ziegler
Jürgen BRUNING
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Fagerdala Deutschland GmbH
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formteiles aus einem Werkstoffverbund, bestehend aus einem Partikelschaumstoff und einem Verstärkungswerkstoff, der zumindest teilweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Partikelschaumstoff besteht. Nach der Erfindung wird zunächst ein Formteil aus Partikelschaumstoff hergestellt und in einem weiteren Prozessschritt mit einem Verstärkungswerkstoff, der zumindest teilweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Partikelschaumstoff besteht, verbunden, wobei eine zumindest teilweise stoffschlüssige Verbindung zwischen Partikelschaumstoff und Verstärkungswerkstoff erzielt wird und das Partikelschaumformteil selbst zur Formgebung der Verstärkungsschicht beiträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes bestehend aus einem Partikelschaumstoff und einem Verstärkungswerkstoff, der zumindest teilweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Partikelschaumstoff besteht und eine zumindest teilweise stoffschlüssige Verbindung zwischen Partikelschaumstoft und Verstärkungswerkstoff erzielt wird.
  • Formteile aus thermoplastischen Schaumstoffen und insbesondere Partikelschaumstoffen finden vielfältige Verwendung. Die Eigenschaften der Formteile aus Partikelschaumstoffen werden in der Regel durch ihre konstruktive Auslegung, Materialdichte oder durch die Herstellung von Werkstoffverbunden gezielt beeinflusst. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften werden die Formteile häufig beschichtet um damit je nach Anwendung dem Schaumstoffteil eine glatte, dekorative oder abriebfeste Oberfläche und eine erhöhte Festigkeit zu verliehen. Der Deckwerkstoff kann zu diesem Zweck beispielsweise aus einer Folie einem Textil oder einer Faserschicht bestehen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkstoffverbunde ist das Aufkaschieren einer Deckschicht unter Einsatz von Haftvermittlern. Ebenfalls sind Bauteile bekannt bei denen Folien zunächst tiefgezogen werden und in einem zweiten Schritt mit Schaumstoffformteilen verbunden werden, wie beispielsweise Aufnahmen für Fußbodenheizungen. Im Bereich der Verkleidungs- oder Anbauteile für Kraftfahrzeuge wie Sonnenblenden ist die Herstellung von Halbschalen aus EPP mit Kaschierung mit Folien oder Textilien sowie die Integration von Verstärkung- oder Funktionselementen ein gängiger Aufbau. DE 19731393 beschreibt einen solchen Aufbau einer Sonnenblende. DE 19544451 beschreibt ein Polypropylen-Schaumteil kombiniert mit Deckschichten aus glasfaserverstärktem Polypropylen. DE 4312517 beschreibt ein Polypropylen-Schaumteil kombiniert mit einer Fasermatte, zum Herabsetzen der Rissempfindlichkeit des Bauteils.
  • Ein weiteres Verfahren ist das Hinterschäumen von Deckschichten oder Trägermaterialien.
  • Patentschrift DE 19819750 gleichbedeutend mit der US-Patentschrift US 6416614 beschreibt einen Werkstoffverbund welcher mittels Hinterschäumen von Fasermatten mit Polypropylen-Anteil mit einem Polypropylen-Schaumstoff um so eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Schaumstoffkern zu erreichen und Formteile in einem Verfahrensschritt herzustellen.
  • DE 4406039 beschreibt ein Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem ein Trägermaterial mit einer Haftschicht und eingebetteten Schaumpartikeln in einem weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung eines Formteiles mit Schaumpartikeln hinterschäumt wird.
  • Das Hinterschäumen von Deckschichten in Form von Textilien, Fasermatten oder Folien ist mit einigen Prozessunsicherheiten und hohen Kosten verbunden. Zunächst führt das komplizierte Handling der zu hinterschäumenden Materialien beim Einlegen und fixieren im Werkzeug zu Einschränkungen hinsichtlich der Bauteilgeometrie. Neben der Faltenbildung der Deckschichten beim Einlegen in die Kavität, führen Strömungen beim Befüllen der Werkzeugkavität zur Faltenbildung der Deckschicht und gegebenenfalls einer Schädigung der Deckschichten. Hinsichtlich der Haftfestigkeit des Materialverbundes und der Schaumpartikel untereinander wirken sich Temperaturschwankungen sowie ein ungleicher Energieeintrag beim Einsatz von Heißdampf zum Verschweißen der Schaumpartikel und gleichzeitigem Aufbringen der Deckschicht nachteilig auf die Haftfestigkeit und Qualität des herzustellenden Bauteiles aus. Die Verschweißung des Formteiles ist aufgrund der Stark eingeschränkten Dampfströmung die durch das Verstärkungstextil erfolgen muss stark eingeschränkt. Sobald die matrixbildende Faser aufschmilzt und die Verstärkungsfasern konsolidiert ist keine Dampfströmung mehr möglich.
  • Desweiteren sind die Zykluszeiten durch Einlagevorgänge und vor allem längere Kühlzeiten deutlich erhöht und die Kostenvorteile eines Einstufenprozeß nicht mehr gegeben. Ein kostenintensiver Formteilprozeß wird bei diesem Stand der Technik für eine deutlich günstiger realisierbaren Tiefzieh- oder Kaschiervorgang verwendet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einem wirtschaftlichen prozesssicheren Verfahren einen Werkstoffverbund des eingangs genannten Aufbaus herzustellen, bei dem ein qualitativ hochwertiger fester Verbund aus einem Partikelschaumstoff und einem Verstärkungswerkstoff gewährleistet wird.
  • Dies wird dadurch gelöst, dass zunächst ein Formteil aus Partikelschaumstoff hergestellt und in einem weiteren Prozessschritt mit einem Verstärkungswerkstoff der zumindest teilweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Partikelschaumstoff besteht versehen wird, wobei eine zumindest teilweise stoffschlüssige Verbindung zwischen Partikelschaumstoff und Verstärkungswerkstoff erzielt wird und das Partikelschaumformteil selbst zur Formgebung der Verstärkungsschicht beiträgt.
  • Vorteilhaft ist hier, dass die Herstellung des Werkstoffverbundes in zwei Fertigungsschritten erfolgt die den Anforderungen der Kern und der Verstärkungsschicht entsprechen, jedoch in der Summen Zykluszeit und Kosteneinsparung gegenüber einem Einstufenprozess ermöglichen. Im ersten Schritt wird aus Schaumpartikeln ein Schaumstoff- Formteil hinsichtlich der geometrischen und mechanischen Anforderungen und einer bestmöglichen Qualität bezüglich Partikelverschweißung, Formgenauigkeit und Oberflächengüte im Formteilprozess nach Stand der Technik gefertigt. In einem zweiten Schritt wird dieses Formteil mit dem Verstärkungswerkstoff verbunden indem die Verstärkungsschicht vorgewärmt und im positiv- oder negativthermoformverfahren mithilfe des Partikelschaumformteiles als formgebendes Medium verformt wird und sich gleichzeitig mit dem Formteil verbindet. Der erfindungsgemäß vorgesehene Verstärkungswerkstoff erfüllt verschiedene Aufgaben. Zum einen wird durch einen Polymeranteil, der aus dem gleichen Material wie der Partikelschaumstoff besteht eine stoffschlüssige und damit äußerst haftfeste Verbindung mit dem Schaumstoff-Formteil eingegangen. Des weiteren werden durch den Verstärkungswerkstoff die bekannten Verstärkungsfunktionen wie Erhöhung der Zug- und Biegefestigkeit, sowie Verteilung der Kräfte bei Schlag- und Druckbelastung erreicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb in besonderem Maße zur Herstellung von Bauteilen für den Einsatz im Automobilbereich wie Stoßfänger, Säulenverkleidungen oder Sonnenblenden, sowie für Ladungsträger, Transportverpackungen oder Sportgeräte unterschiedlicher Bauart geeignet.
  • Als Partikelschaumstoff für das Formteil wird vorzugsweise EPP (expandierter Polypropylenpartikelschaum), EPS (expandierter Polystyrolpartikelschaum) oder EPE (expandierter Polyethylenpartikelschaum) oder ein Copolymer derselbigen eingesetzt.
  • Der Verstärkungswerkstoff besteht vorzugsweise aus zumindest einer Mischfaserschicht bestehend aus einer Verstärkungsfaser sowie einer Polymerfaser. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Glas-, Carbon, Metall-, Naturfasern oder eine Kombination verschiedener Fasern sein. Die Polymerfasern bestehen zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie der Partikelschaumstoff und hier vorzugsweise Polypropylen, Polystyrol oder Polyethylen.
  • Eine Variante ist auch der Einsatz hochgradig orientierter Polymere in Form von Polymerbändchen oder Polymerfasern, die zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie der Partikelschaumstoff bestehen und zum einen eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Partikelschaumstoff eingehen, zum anderen die beschriebenen Verstärkungsfunktionen übernehmen. Der Verstärkungswerkstoff kann in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Vliesen oder auch als Endlosfaser ausgebildet sein.
  • Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst im Formteilprozess oder einem davon abweichenden Prozess ein Halbzeug oder ein dreidimensionales Formteil aus Schaumpartikeln hergestellt wird. In einem zweiten Schritt wird das Formteil mit dem Verstärkungswerkstoff verbunden. Hierbei wird in einem Pressverfahren unter Anwendung von Temperatur und/oder Druck das Formteil mit dem Verstärkungswerkstoff verbunden, wobei vor und/oder während dieses Prozessschrittes der Verstärkungswerkstoff zumindest teilweise umgeformt wird und an die Kontur des Formteiles angepasst wird. Das Verbinden des Formteiles und des Verstärkungswerkstoffes kann in einer Vorrichtung erfolgen, die mit zumindest einem Gegenhalter entsprechend der Kontur der mit dem Verstärkungswerkstoff zu verbindenden Formteiloberfläche ausgestattet ist. Die Zuführung des Textiles kann über einen Spannrahmen oder vorzugsweise über eine Haltervorrichtung erfolgen die das nachführen von Gewebe ermöglicht. Die Erwärmung der zu verbindenden Materialien kann über Heizeinrichtungen wie beispielsweise Infrarot-Strahler außerhalb und/oder innerhalb des Werkzeuges und/oder durch Temperieren der Werkzeugkavität erreicht werden.
  • Ausführungsbeispiel a):
  • Werkstoffverbund aus EPP und einer Deckschicht aus einem Polyproylen/Glasfaser-Hybridgewebe (Markenbeipiel: Fawocel der Fagerdala Deutschland GmbH und Twintex der Fa. Vetrotex)
  • Ausführungsbeispiel B): Werkstoffverbund aus EPP und einer Deckschicht aus einem Polyproylen eingenfaserverstärktem Material (Markenbeipiel: Vestocell der Fagerdala Deutschland GmbH und Curv der Fa. BP)
  • Ausführungsbeispiel c)
  • Das Partikelschaum-Formteil (1) wird über einen Stempel (4) oder eine Werkzeughälfte (4) in einem Pressverfahren unter Anwendung von Druck mit dem vorgewärmten Verstärkungswerkstoff (3) verbunden, wobei vor und/oder während dieses Prozessschrittes der Verstärkungswerkstoff (3) zumindest teilweise umgeformt wird und an die Kontur des Formteiles (1) angepasst wird. Das Verbinden des Formteils und des Verstärkungswerkstoffes erfolgt vorzugsweise in einer Vorrichtung, die mit einem Gegenhalter (3) entsprechend der Kontur der mit dem Verstärkungswerkstoff (2) zu verbindenden Formteiloberfläche (1) ausgestattet ist. Die Erwärmung der zu verbindenden Materialien kann über Heizeinrichtungen wie beispielsweise Infrarot-Strahler außerhalb und/oder innerhalb des Gegenhalters (3) und/oder durch Temperieren der Werkzeugkavität (3) in Form des Gegenhalter (3) erreicht werden.

Claims (29)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formteiles oder Halbzeuges aus einem Werkstoffverbundes aus einem thermoplastischen Schaumstoff in Verbindung mit zumindest einem Verstärkungswerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie der thermoplastische Schaumstoff besteht und das der Verbund mittels eines Thermoformier und/oder Thermopressverfahren erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff ein Partikelschaumstoff, insbesondere EPP (expandierter Polypropylenpartikelschaum) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff eine ein oder mehrlagige Schaumfolie, insbesondere XPP (extrudierter Polypropylenschaum) ist.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff zumindest teilweise aus Polypropylen besteht.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff aus zumindest einer Faserschicht in Form einer Mischfaserschicht besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff einen Anteil an Polymerfasern enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff einen Anteil an Polypropylenfasern enthält.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff einen Anteil an Verstärkungsfasern enthält.
  9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Glas-, Carbon-, Metall-, oder Naturfasern oder eine Kombination aus diesen sind.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff zumindest teilweise aus hochgradig orientiertem Polypropylen besteht.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff zumindest teilweise aus hochgradig orientiertem Polypropylenbändchen oder -fasern besteht.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges oder Vlieses vorliegt.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges oder Vlieses jeweils in Verbindung mit einer Folie vorliegt.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff vor der Thermoformung und Verbindung mit dem Formteil erhitzt wird.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff mittels Vakuum verformt wird.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff mittels des Schaumteiles verformt wird.
  17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Schaumstoff und der Verstärkungswerkstoff unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur miteinander verbunden werden.
  18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Schaumstoff ebenfalls als Halbzeug vorliegt und zusammen mit der Verstärkungsschicht im Thermoformier oder Thermopressverfahren zu einem Verbundformteil verformt wird.
  19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Verstärkungswerkstoffes zumindest ein für den Verstärkungswerkstoff formgebendes oder der Außenkontur des Schaumteiles entsprechendes Werkzeug eingesetzt wird.
  20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelschaumstoff und der Verstärkungswerkstoff unter Einsatz eines Oberwerkzeuges und/oder eines Gegenhalters dessen Innenkontur der Außenkontur des Formteiles angepasst ist und zwischen die der Verstärkungswerkstoff eingebracht wird und unter Druck und/oder Temperatur miteinander verbunden werden.
  21. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Schaumformteiles und/oder der Verstärkungswerkstoff a. vor dem Verbinden b. während des Verbindens c. über ein temperiertes Werkzeug erwärmt werden
  22. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau des Werkstoffverbundes die Wärmezufuhr über a. einen Ofen, b. über Infrarot-Strahlung c. hochfrequente Strahlung d. Heißluft, e. temperierbare Flüssigkeiten f. temperierte Feststoffe erfolgt.
  23. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen zum Aufbau des Werkstoffverbundes zwischen 60 und 250°C liegen.
  24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugoberfläche des Werkzeuges zum Aufbringen des Verstärkungswerkstoffes mit einer Struktur oder Prägung versehen ist.
  25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff während des Prozesses zur Verbindung mit dem Partikelschaum-Formteil umgeformt und an die Kontur des Formteiles angepasst wird.
  26. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Verstärkungswerkstoffes der Außenkontur des Schaumstoff-Formteiles entspricht.
  27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswerkstoff vor und/oder während der Verbindens mit dem Schaumstoff in einem Thermoform- oder Tiefziehprozess vorgeformt wird.
  28. Werkstoffverbund und Produkte die nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen hergestellt werden.
  29. Werkstoffverbund und Produkte die nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen hergestellt werden dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Automobilteile, insbesondere Stoßfänger, Stoßfängerelemente oder Instrumententafeln, Ladungsträger oder Sportgeräte handelt.
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