DE10348161A1

DE10348161A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils und Kunststoffbauteil für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10348161A1
Application number: DE10348161A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhöfer; Thomas Dr. Schuh; Fritz Dipl.-Ing. Wazula
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils (2) mit einem Hohlraum (8) und ein Kunststoffbauteil (2) selbst. Es wird vorgeschlagen, mindestens zwei unterschiedliche Polymere aufweisende Polymerstränge (18, 20, 30) gemeinsam in einem Profilwerkzeug (16, 16') zu führen. Im Profilwerkzeug (16, 16') sind dabei Mittel vorgesehen, durch die die Polymerstränge hohlraumbildend voneinander getrennt werden. Während des Durchlaufens des Profilwerkzeugs (16, 16') werden die Profilstränge (18, 20, 30) zu einem schlauchförmigen Halbzeug (28) aneinander gefügt. Das schlauchförmige Halbzeug (28) wird anschließend in ein Formgebungswerkzeug (34) gegeben und durch Anlegen eines inneren Druckes oder durch ein äußeres Vakuum zu dem Kunststoffbauteil (2) ausgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, sowie ein Kunststoffbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Verschiedene Kunststoffbauteile insbesondere im Außenbereich von Kraftfahrzeugen werden häufig extremen Umweltbedingungen ausgesetzt. Beispielsweise eine Unterbodenverkleidung, die straßenseitig hohen mechanischen Belastungen beispielsweise durch Steinschlägen ausgesetzt ist, weist kraftfahrzeugseitig eine, durch die Abgasanlage hervorgerufene, hohe Temperaturbelastung auf.

Eine derartige Unterbodenverkleidung ist in der DE 101 57 838 A1 offenbart. Eine derartige Unterbodenverkleidung weist im wesentlichen zwei Deckschichten auf, die miteinander einen Hohlraum bilden, wobei der Hohlraum in der Regel durch Verformungen einer der Deckschichten unterteilt ist, was zu dessen Versteifung beiträgt. Ein Nachteil einer derartigen Konstruktion besteht darin, dass die eine Deckschicht eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen muss und die andere Deckschicht eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen muss. Eine besonders ausgeprägte Kompromisssituation tritt auf, wenn das Verkleidungsbauteil auf extreme Kälte ausgelegt werden muss.

Hierbei werden häufig Risse im Verkleidungsbauteil durch Steinschläge induziert, da das verwendete Material, das an der oberen Deckschicht, die nahe an der Abgasanlage montiert ist, hohe Temperaturen standhalten muss, an der unteren Deckschicht bei extremer Kälte sehr spröde wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteiles sowie ein Kunststoffbauteil selbst bereit zu stellen, das so ausgelegt ist, dass es auf einer Seite eine gegenüber dem Stand der Technik besonders hohe Schlagzähigkeit aufweist und auf einer anderen Bauteilseite eine entsprechen Hochtemperaturfestigkeit aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie in einem Kunststoffbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 umfasst folgende Schritte:
Zwei Polymerstränge aus zwei unterschiedlichen Polymeren werden gemeinsam durch ein Profilwerkzeug geführt. Dabei ist das Profilwerkzeug derart ausgestaltet, dass Mittel vorgesehen sind, die beispielsweise in Form einer Matrize oder in Form eines oder mehreren Dornen bestehen können, durch die die Polymerstränge durch das Profilwerkzeug so geführt werden können, dass sie nach Verlassen des Profilwerkzeuges mindestes einen Hohlraum umschließen. Das bedeutet, dass die Polymerstränge Hohlraumbildend von einander getrennt durch das Profilwerkzeug geführt werden.

Die mindestens zwei Polymerstränge werden hierbei gleichzeitig intrinsisch, also ohne Zufügen eines zusätzlichen Füge mittels, zu einem schlauchförmigen Halbzeug aneinander gefügt. Das Aneinanderfügen der Polymerstränge kann entweder im Profilwerkzeug an sich erfolgen oder kurz danach durch ein spezielles hierfür geeignetes Zusatzwerkzeug.

Das so erhaltene schlauchförmige Halbzeug wird in ein Formgebungswerkzeug gegeben und durch Anlegen eines inneren Drucks und/oder durch ein äußeres Vakuum zu dem Kunststoffbauteil ausgeformt.

Durch dieses Verfahren wird ein Bauteil ausgestaltet, das im Wesentlichen zwei Deckflächen aufweist, die aus unterschiedlichen, ihren Anforderungen angepassten Polymeren bestehen.

Da die verwendeten unterschiedlichen Polymertypen insbesondere bezüglich ihres Schmelzpunktes unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen, kann es zweckmäßig sein, zwischen die beiden Polymerstränge im Bereich der Fügestellen einen weiteren, schmaleren Polymerstrang einzufügen. Dieser weitere Polymerstrang weist dann in zweckmäßiger Weise einen Schmelzpunkt auf, der zwischen den Schmelzpunkten der beiden anderen Polymertypen liegt.

In zweckmäßiger Weise werden die Polymerstränge in einem Extruder aufbereitet und durch die Schubkraft der Extruder in das Profilwerkzeug geführt. Dies gewährleistet einen gleichmäßigen Vorschub bei homogenen Materialeigenschaften.

Zur Verbesserung der Bauteileigenschaften, insbesondere der Bruchfestigkeit, kann es zweckmäßig sein, in das Formgebungswerkzeug neben dem Halbzeug ein Fasergewebe einzulegen, das bei der Formgebung des Kunststoffbauteils in das Halbzeug zur Verstärkung mit eingepresst wird.

Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, dass Kurzfasern den Polymerfasersträngen während einer Aufbereitung der Rohstoffe zugefügt werden, die ebenfalls eine Verbesserung der Bauteilfestigkeit gewährleisten.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Kunststoffbauteil für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6. Das Kunststoffbauteil weist mindestens zwei Deckschichten auf, die zusammen mindestens einen, gegebenenfalls mehrfach unterbrochenen Hohlraum einschließen. Das Kunststoffbauteil zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die mindestens zwei Deckschichten jeweils aus einem anderen Polymertyp zusammengesetzt sind. Die Verbindung der beiden Deckschichten erfolgt intrinsisch, wobei unter intrinsisch hierbei eine Fügung verstanden wird, die sich ausschließlich auf die beiden verwendeten Polymertypen beschränkt und ohne Zusatzmaterialen auskommt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils besteht darin, dass für jede Deckschicht ein Polymer gewählt werden kann, das den, an die Deckschicht gerichteten Anforderungen optimal angepasst ist. Zudem legt sich die intrinsische Zusammenfügung der beiden Deckschichten günstig auf die Prozesstechnik aus, was eine Reduktion der Bauteilkosten zu Folge hat.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht eine Deckschicht aus Polyethylen oder aus der Basis von Polyethylen. Dies ist in zweckmäßiger Weise die Deckschicht, die einer höheren mechanischen Belastung ausgesetzt ist, da Polyethylen bei extremer Kälte eine hohe Schlagzähigkeit aufweist. Eine andere Deckschicht, insbesondere diese, die in der nähe von heißen Bauteilen, wie beispielsweise der Abgas anlage montiert ist, besteht bevorzugt aus Polypropylen oder auf der Basis von Polypropylen.

Da Polypropylen und Polyethylen unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen, kann es zweckmäßig sein, diese beiden Deckschichten nicht direkt aneinander zu fügen, sondern eine weitere Schicht einzufügen, die einen Schmelzpunkt aufweist, der zwischen dem des Polypropylen und dem des Polyethylen liegt. Dieses hierfür verwendete Polymer kann dennoch aus einen der beiden genannten Polymergruppen bestehen, jedoch einen angepassten Schmelzpunkt aufweisen.

Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil weist in vorteilhafter Weise eine Hohlstruktur auf, die versteifend beispielsweise durch Rippen verstärkt ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine der Deckschichten bereichsweise mindestens eine Vertiefung auf. Diese Vertiefung durchtrennt den Hohlraum zumindest teilweise und steht mit der anderen Deckschicht in Verbindung. Derartige Vertiefungen dienen auch zur Versteifung des Kunststoffbauteils.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.

Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeuges mit Extrudern und einen Profilwerkzeug,
2 ein Querschnitt durch ein Profilwerkzeug,
3 ein Querschnitt durch ein weiteres Profilwerkzeug,
4a bis c Querschnitte durch verschiedene Halbzeuge,
5 ein Formgebungswerkzeug mit eingelegtem Halbzeug,
6 ein Kunststoffbauteil mit zwei Deckschichten, aufgebaut aus zwei verschiedenen Polymeren.
In 1 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges 28 dargestellt, dass im Weiteren wie in 5 veranschaulicht ist, in einem Formgebungswerkzeug 34 zu einem Kunststoffbauteil 2 ausgeformt wird. Zur Herstellung des Halbzeuges 28 werden zuerst in zwei Extrudern 12 Polymerrohmassen 13 aufbereitet. Den Polymerrohmassen 13 können beispielsweise Kurzfasern als Verstärkungsfasern zugefügt sein. Durch Zuführungen 14 wird die Polymerrohmasse 13 in Form von zwei Polymersträngen 18, 20 in ein Profilwerkzeug 16 geführt. Hierbei besteht der Polymerstrang 18 aus Polypropylen und der Polymerstrang 20 aus Polyethylen.
Im Profilwerkzeug 16 werden die Polymerstränge 18 und 20 zu einem schlauchförmigen Halbzeug 28 zusammengefügt. Die Polymerstränge 18 und 20 werden im Profilwerkzeug 16 über eine Matrize 22 geführt und kommen im Bereich der Matrize 22 miteinander in Berührung und verschmelzen miteinander.
Das schlauchförmige Halbzeug 28, dass das Profilwerkzeug 16 verlässt, schließt einen Hohlraum 29 ein. Das schlauförmige Halbzeug 28 besteht somit in einem oberen Bereich aus Polypropylen und in einem unteren Bereich aus Polyethylen wobei beide, der obere und der untere Bereich, den Hohlraum 29 umschließen.
In 2 ist ein Beispiel für ein zweckmäßiges Profilwerkzeug 16 gegeben. Das Profilwerkzeug 16 in 2 weist eine zentral Matrize 22 auf, die zur Bildung eines schlauchförmigen Halbzeuges 28 geeignet ist. Im oberen Bereich des Profilwerkzeuges 16 wird der Polymerstrang 18 geführt, der in diesem Beispiel aus Polypropylen besteht und im unteren Bereich des Profilwerkzeuges 16 wird der Polymerstrang 20 geführt, der in diesem Beispiel aus Polyethylen besteht. Die Polymerstränge 18 und 20 werden im Profilwerkzeug 16 an den Fügenähten 26 durch Verschmelzen zusammengefügt. Das Fügen der Polymerstränge erfolgt in diesem Beispiel direkt im Profilwerkzeug 16. Es können jedoch Umstände auftreten, die es zweckmäßig machen, das Fügen der Profilstränge außerhalb des Profilwerkzeuges durchzuführen.
Ein weiteres Beispiel für ein Profil 16' ist in 3 gegeben. Die Profilstränge 18 und 20 werden in dem Profilwerkzeug 16' über Dorne 24 zusammengefügt. Die Dornen 24 bilden in diesem Fall zwei Hohlräume 29'. Die Polymerstränge 18 und 20 liegen in diesem Beispiel großflächiger übereinander als in 2. Die Fügenähte 26' sind in 3 entsprechend breit ausgestaltet.
In den 4a bis 4c sind verschiedene Beispiele für ein erfindungsgemäßes Halbzeug 28 gegeben. Das Halbzeug 28, das beispielsweise durch ein Profilwerkzeug 16 aus 2 dargestellt ist, ist schlauchförmig ausgestaltet und weist zwei Polymerstränge 18 und 20 auf.
Das schlauchförmige Halbzeug 28 aus 4b unterscheidet sich von dem aus 4a darin, dass hier ein Polymerstrang 30 zwischen Polymersträngen 18 und 20 angeordnet ist. Der Polymerstrang 30 besteht aus Polyolefin, weist einen höheren Schmelzpunkt auf als das Polyethylen, das den Polymerstrang 20 bildet. Durch den zusätzlichen Polymerstrang 30 werden somit Spannung verhindert, die auftreten könnten, wenn extreme Temperaturunterschiede zwischen den oberen und unteren Bauteilbereichen auftreten würden.
Das in 4c dargestellte Halbzeug 28' weist zwei Polymerstränge 18' und 20' auf, die in beiden Bereichen analog zu zwei Folien aufeinander gefügt sind, wobei die Fügenähte 26' jeweils durch tunnelförmige Hohlräume 29' unterbrochen sind. Im Weiteren wird das Halbzeug 28 bzw. 28' analog 5 in ein Formgebungswerkzeug 34 eingelegt und zu einem Kunststoffbauteil 2 geformt. Hierbei wird das Formgebungswerkzeug 34, das eine obere Werkzeughälfte 40 und eine untere Werkzeughälfte 42 aufweist, zusammengefahren. Durch eine, hier nicht dargestellte Leitung wird im Hohlraum 29 des Halbzeuges 28 während des Pressens ein Gasdruck aufgebaut, und der Formhohlraum 44 durch das Kunststoffbauteil 2 ausgefüllt.
Bei diesem Vorgang werden die Konturen des Kunststoffbauteils 2 ausgebildet. Beispielsweise bilden Absätze 46 die späteren Vertiefungen 38 im Kunststoffbauteil 2. Das Kunststoffbauteil 2, das in 6 dargestellt ist, zeigt eine obere Deckschicht 4 und eine untere Deckschicht 6. Diese Deckschichten 4 und 6 schließen einen Hohlraum 8 ein. Dieser Hohlraum 8 ist in diesem Beispiel durch längliche, kanalförmige Vertiefungen 38 unterbrochen. Grundsätzlich können diese Vertiefungen 38 in allen zweckmäßigen Varianten, beispielsweise in Form von Mäandern, in Form von Rippen, oder in Form von Zylindern ausgestaltet sein.
Das beispielhafte Kunststoffbauteil 2 aus 6 besteht demnach in der oberen Deckschicht 4 aus Polypropylen und in der unteren Deckschicht 6 aus Polyethylen. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Schmelzpunkte der oberen und unteren Deck schicht 4, 6, ist ein weiterer Polymerstrang 30 auf der hier rechten Seite des Bauteils eingefügt. Auf der hier linken Seite des Bauteils sind die Schichten 4 und 6 flächig aneinander gefügt. Das Bauteil 2 kann beispielsweise als Unterbodenverkleidung ausgestaltet sein. Hierbei liegt die Deckschicht 4, die aus Polypropylen besteht auf der Seite einer Abgasanlage, die Deckschicht 6, die aus Polyethylen besteht, ist der Straße zugewandt. Die Deckschicht 6, ist wesentlich stärkeren mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Steinschlägen ausgesetzt. Die Deckschicht 4 wiederum ist, hervorgerufen durch die Abgasanlage, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Die Vertiefungen 38, die den Hohlraum 8 unterbrechen, dienen zur Versteifung des Bauteils 2.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils (2) mit mindestens einem Hohlraum (8), umfassend folgende Schritte: • mindestens zwei unterschiedliche Polymere aufweisende Polymerstränge (18, 20) werden gemeinsam durch ein Profilwerkzeug (16, 16') geführt, • wobei am Profilwerkzeug (16, 16') zwischen den Polymersträngen (18, 20) Mittel vorgesehen sind, durch die die Polymerstränge (18, 20) hohlraumbildend voneinander getrennt werden und • die Polymerstränge (18, 20) an Fügenähten (26, 26') intrinsisch zu einem schlauchförmigen Halbzeug (28) aneinandergefügt werden und • das schlauchförmige Halbzeug (28) in einem Formgebungswerkzeug (34) durch Anlegen eines inneren Drucks (P) und/oder durch ein äußeres Vakuum (V) zu dem Kunststoffbauteil (2) ausgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den Fügenähten (26) der Polymerstränge (18, 20) ein weiterer, schmalerer Polymerstrang (30) eingefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerstränge (18, 20, 30) durch Extrusion in das Profilwerkzeug (16, 16') gelangen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Formgebungswerkzeug (34) ein Fasergewebe in das Halbzeug eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerstränge (18, 20, 30) eine Kurzfaserverstärkung aufweisen.
Kunststoffbauteil (2) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Kunststoffbauteil (2) mindestens zwei Deckschichten (4, 6) aufweist, die zusammen mindestens einen Hohlraum (8) einschließen, dadurch gekennzeichnet, • dass mindestens zwei Deckschichten (4, 6) aus einem jeweils anderen Polymertyp zusammengesetzt sind, • die Deckschichten (4, 6) durch eine intrinsische Verbindung zusammengefügt sind und • der Hohlraum (8) zwischen den Deckschichten aus verschiedenen Polymertypen angeordnet ist.
Kunststoffbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymertyp Polyethylen ist.
Kunststoffbauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymertyp Polypropylen ist.
Kunststoffbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Deckschichten (4, 6) ein weiterer Polymerbauteilabschnitt (36) angeordnet ist.
Kunststoffbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlstruktur des Kunststoffbauteils durch versteifende Rippen ausgestaltet ist.
Kunststoffbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (4) bereichsweise mindestens eine Vertiefung (38) aufweist, die zur Bauteilversteifung den Hohlraum (8) durchtrennt und mit der anderen Deckschicht (6) in Verbindung steht.