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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein hitzegeschütztes
thermoplastisches Bauteil gemäss
Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere eine Fahrzeug-Unterbodenkomponente
mit integriertem Hitzeschutz.
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Thermoplastische Materialien, z.B.
Polypropylen, sind temperatursensitiv und weisen ein hohes Oberflächenemissionsvermögen auf,
respektive zeigen eine erhöhte
Wärmestrahlungs-Absorption.
Diese erhöhte
Absorption von Wärmestrahlung
führt dazu,
dass sich die Matrix derartiger Kunststoffe unter dem Einfluss lokal
unterschiedlicher Wärmestrahlung in
lokalen Bereichen stark aufhelzt und dadurch in diesen Bereichen
unerwünschte
Materialschwachstellen erzeugt werden. Deshalb werden bei der Verwendung
derartiger Materialien in Bereichen, welche einer erhöhten Wärmestrahlung
ausgesetzt sind, metallische Folien aufgebracht, welche die infrarote Strahlung
reflektieren. Damit kann die Matrixtemperatur dieser Kunststoffe
in den derart geschützten
Bereichen wirksam gesenkt werden, d.h. können die unerwünschten
Materialveränderungen,
wie Versprödung,
Brüchigkeit,
etc. vermieden werden. Diese Massnahme erlaubt es, thermoplastische
Materialien auch in stark erhitzten Umgebungen verwenden zu können. Ohne
derartige metallische Schutzfolien sind Bauteile aus thermoplastischem
Material einem raschen Alterungsprozess ausgesetzt und nicht in Umgebungen
mit erhöhter
Infrarotstrahlung einsetzbar.
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Insbesondere werden in dar modernen
Fahrzeugtechnik thermoplastische Beuteile in zunehmendem Masse eingesetzt,
weil diese im Vergleich zu metallischen Bauteilen viel leichter
sind, in beliebiger und kostengünstiger
Weise geformt werden können und
einfach zu rezyklieren sind. Damit gewinnt auch der Hitzeschutz
für die
in der Fahrzeugtechnik eingesetzten Bauteile immer mehr an Bedeutung.
Der Hitzeschutz für
Bauteile in der Fahrzeugtechnik erweist sich jedoch wegen der ausserordentlichen
mechanischen Belastungen, wie Vibrationen, Windkräfte, lokale
Temperaturschwankungen, etc., als besonders schwierig. Zur Zeit
werden derartige Bauteile in bekannter Weise an den thermisch exponierten
Bereichen mit einer metallischen Folie versehen, um diese dort vor
der erhöhten
Infrarotstrahlung zu schützen. Leider
führt diese
hinlänglich
bekannte Massnahme nur zu kurzfristig verwendbaren Produkten.
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So ist beispielsweise aus der
US 5,464,952 eine akustisch
wirksame Unterbodenkomponente für Fahrzeuge
bekannt, welche eine Kernschicht aus einem hitzebeständigen und
hitze-isolierenden Fasermaterial aufweist. Diese Kernschicht besteht
vorzugsweise aus einem Vlies aus Glasfasern, keramischen Fasern,
Basaltwolle oder Mischungen davon und ist beidseitig mit hitzereflektierenden
Folien aus Aluminium oder Blech versehen, um allenfalls auftreffende
Infrarotstrahlung zu reflektieren. Das Vlies dieser Unterbodenkomponente
ist mindestens im Randbereich mit einem duroplastischen Bindemittel versehen,
um damit die metallischen Folien am Faservlies zu befestigen. Gleichzeitig
fuhrt diese Befestigung zu einer Versteifung des Randbereichs, was der
gesamten Unterbodenkomponente eine gewisse Formstabilität verleiht.
Die wärmereflektierenden
Folien bestehen vorzugsweise aus einer dreifachen Laminat-Folie
mit einer Glasfaserschicht, einer Aluminiumschlcht und einer thermoplastischen
Polyolsfinschicht, um in einer Formpresse ganzflächig mit dem in der Regel mit
einem duroplastischen Bindemittel versetzten Vlies lose verbunden
werden zu können. Dieses
Bauteil weist also einen relativ steifen Randbereich und einen weichen,
d.h. biegsamen Mittelbereich auf.
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In der
DE 197 05 511 A 1 wird
ein als Hitzeschild verwendetes Bauteil beschrieben, welches eine
Trägerschicht
aus einem thermoplastischem Kunststoff und eine aus Aluminium bestehende
Wärmeschutzschicht
umfasst. Zwischen der Aluminiumschicht und der Trägerschicht
ist eine thermoplastische Verbindungsschicht (ein Schmelzkleber)
aus Pofypropylene (PP), Polyester (PET), Polyamid (PA) oder thermoplastischem
Polyurethan (TPU) vorgesehen, welche beim Formungsprozess aufschmilzt
und mit welcher die Aluminiumschicht an der Trägerschicht stoffschlüssig verbunden
wird. Diese Aluminiumschicht ist weit über den Bereich maximaler Wärmebelastung
(hot-spot Bereich) ausgelegt und soll die dort lokal auftreffende
Wärme,
im wesentlichen also Konvektionswärme, abführen. Zur Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit
weist die verwendete Aluminiumschicht Vorzugsweise eine Dicke von
0.08 bis 0.2 mm auf und kann die Oberfläche des Hitzeschilds mit besonderen
Verformungen versehen sein. in einer bevorzugten Ausführungsform
weist dieses Hitzeschild orthogonal zueinander verlaufende rillenförmige Vertiefungen
auf, welche die Stabilität
des Hitzeschildes und dessen Kühlwirkung
verbessern sollen. Zur Erfüllung
dieser wärmeleitenden
Funktion kann diese metallische Wärmeschutzschicht auch in Art
eines Streckmetalls ausgeformt sein.
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Leider zeigt es sich. dass diese
bekannten, mit einer metallischen Folie überzogenen und hohen thermischen
Belastungen ausgesetzten Bauteile raschen Alterungsprozessen unterliegen;
d.h.nur kurzfristig intakt bleiben. Insbesondere tritt bei derartig aufgebauten Unterbodenkomponenten
nach kurzer Dauer eine Delaminierung statt, was die Verwendung dieser
Bauteile für
deren Verwendung in der Fahrzeugindustrie ungeeignet macht. Insbesondere
verliert der Schmelzkleber zwischen der metallischen Schutzfolie
und dem Trägermaterial
wegen dem durch die hohen und wechselnden Temperaturbelastungen
beschleunigten Alterungsprozess seine Haftfähigkeit. Darüberhinaus
zeigen derartige Bauteile wegen der in diesem Einsatzbereich besonders
ausgeprägten
Vibrationen auch rasch Ermüdungserscheinungen,
können
brechen oder lokal zerbröseln und
zu unerwünschter
Geräuschbildung
führen.
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Es ist aus der WO 99/44851 bekannt
geworden, einen Treibstofftank mit einem integrierten Hitzeschutz
zu versehen und dabei die reflektierenden metallischen Folien derart
zu perforieren, dass die erzeugten Perforatiansprotrusionen beim
Herstellungsprozess vom thermoplastischem Kunststoff hinterflossen
werden, was zu einer formschlüssigen
mechanischen Verkrallung und damit zu langlebigeren Produkten führt. Leider
zeigt sich auch bei diesen Bauteilen, dass der verwendete Kunststoff
in den Perforationsbereichen nur ungenügend vor Infrarotstrahlung
geschützt
ist und in diesen Bereichen rascher altern kann.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein hitzegeschütztes
thermoplastisches Bauteil zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht
aufweist und seinen Haftfähigkeit
auch nach längerem
Gebrauch unter thermischer Strahlenbelastung über seine gesamte Oberfläche beibehält. Insbesondere
soll eine hitzegeschützte
und vibrationsfeste Fahrzeug-Unterbodenkomponente mit erhöhter Lebensdauer
geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss von einem
Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere durch ein
Bauteil mit einer Trägerschicht
aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere einem LFT (endlosfaserverstärkter Thermoplast)
oder einem GMT (glasfaserverstärkter
Thermoplast) und einer mindestens partiell damit verbundenen metallischen
Folie, welche eine Vielzahl kleiner Faltentaschen aufweist. Diese
Faltentaschen sind in der Kunststoffmasse eingebettet, d.h. liegen
mechanisch verankert in der Kunststoffmasse und erzeugen einen langfristig
(d.h. über 1'000 h Betriebszeit
bei einer Temperatur von ca. 140°C
) konstant bleibenden Schälwiderstand
WS von bspw. mindestens 0.15 N/mm2 ( WS > 0.15 N/mm2 ).
Diese Verankerung, resp. Verkrallung der metallischen Folie kann
in einfacher Weise beim Formungsprozess der genannten thermoplastischen Bauteile
erzeugt werden, indem eine genoppte oder ähnlich vorgeformte Folie gemeinsam
mit dem zu formenden Kunststoff in ein Formnest einer Formpresse eingebracht
wird. Beim Schliessen der Formpresse werden die einzelnen Noppen,
Falten oder ähnlichen taschenförmige Erhebungen
teilweise gestaucht, umgelegt oder gefaltet und bilden mehr oder
weniger geschlossene Faltentaschen. Beim Ausformen des Bauteils
kann der thermoplastische Kunststoff die einzelnen Faltentaschen
umfliessen und einschliessen kann, und bildet auf diese Weise eine
formschlüssige
Verbindung mit der metallischen Folie. Die Technik derartige Bauteile
mittels eines Formungsprozesses auszugestalten, stellt keine besonderen
Kenntnisse und Anforderungen an den Fachmann auf diesem Gebiet und
ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die einzelnen Faltentaschen
können
je nach Verwendungszweck und Funktionszweck unterschiedlich dimensioniert
sein, können
regelmässig
oder unregelmässig
angeordnet sein, mit weiteren Materialien beschichtet sein und vom
Kunststoff vollständig
oder unvollständig
umflossen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind in einem Bereich
von 10 – 30
mm mindestens 1 – 5 derartige
Faltentaschen vorgesehen. Vorzugsweise besteht die verwendets Folie
aus Aluminium und weist eine Dicke von 0.01 – 0.1 mm auf, kann jedoch auch
bis zu 0.5 mm betragen.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird zwischen die Folie und den Kunststoffträger ein
hitzebeständiger
Kleber gebracht, der auch bei erhöhter Wärmebelastung seine Haftfähigkeit nicht
verliert. Es versteht sich, dass der Fachmann zwischen die Aluminiumfolie
und den Thermoplast weitere funktionelle Schichten vorsehen kann.
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Das erfindungsgemässe Bauteil eignet sich bevorzugt
für die
Verwendung in thermisch belasteten Bereichen bei Fahrzeugen, beispielsweise
im Bereich des Motorraumunterbodens, im Bereich der Ersatzradmulde,
im Bereich des Fahrzeugtunnels, im Bereich der Fahrzeugstirnwand,
im Bereich des Auspuffrohrs oder Katalysators, usw.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung
sind dem Fachmann unmittelbar ersichtlich und insbesondere darin
zu sehen, dass bei diesen Bauteilen eine geschlossene Folie den
Kunststoff vollflächig
vor Infrarotstrahlung schützt
und keine Delaminierung auftreten kann. Der Schälwiderstand, ein Mass für die Haftfähigkeit
und Vibrationsfestigkeit, bleibt auch nach längerer Betriebszeit, d.h. bei
erhöhten
Temperaturen im Wesentlichen unverändert und kann deshalb auch
an thermisch besonders exponierten Stellen bei Fahrzeugen verwendet
werden. Darüber
hinaus erlaubt die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Herstellung
der erfindungsgemässen
Bauteile, insbesondere, weil der Formge bungsprozess des thermoplastischen
Materials und der Befestigungsprozess der metallischen Folie an
diesem Material in einem einzigen Verfahrensschritt möglich ist. Darüberhinaus
brauchen keine Perforationen erzeugt zu werden und können deshalb
auch kürzere Produktionszeiten
erzielt werden. Die erfindungsgemässen Bauteile zeigen also auch
unter erhöhter
Vibrations- und Wärmebelastung
langfristig keine Ablöseerscheinungen
und führen
damit bei der Verwendung im Fahrzeug auch nicht zu einer unerwünschten
Geräuschbildung.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1;
eine räumliche
Ansicht eines schematisch dargestellten, erfindungsgemässen Bauteils;
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2:
eine vergrösserte
Schnittdarstellung durch ein schematisch dargestelltes Bauteil gemäss 1;
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3:
eine graphische Darstellung zum Langzeitverhalten des Schälwiderstands.
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Das in 1 gezeigte
Bauteil 1 umfasst eine wannenförmige Trägerschicht 2, welches
je nach Verwendungszweck in geeigneter Weise geformt ist. In der
dargestellten Ansicht ist in diese Trägerschicht 2 eine
metallische Folie 3 eingelegt. Diese Folie 3 weist
erfindungsgemäss
eine Vielzahl von Taschenfalten 4 auf, welche die metallischen
Folie 3 mit der Trägerschicht 2 mechanisch
verkrallen. Die Trägerschicht 2 wird
vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Thermoplast (GMT) oder
einem mit Endlosfasern gefüllten
Thermoplast (LFT) gefertigt. Geeignete Materialien sind dem Fachmann
hinlänglich
bekannt. Produkte mit Endlosfasern, weisen in der Regel in Schlingen
abgelegte Endlosfasern auf, können aber
auch einfach mit langen Fasern gefüllt sein. Vorzugsweise besteht
die metallische Folie aus Aluminium und weist eine Dicke von 0.01
bis 0.1 mm auf. Es versteht sich jedoch, dass diese Folie auch aus
einem anderen metallischen Material, insbesondere aus einem dünnen Stahlblech
gefertigt sein kann und eine Dicke von bis zu 0.5 mm aufweisen kann.
Hilfsweise kann zwischen diese metallische Folie 3 und der
Trägerschicht 2 eine
hitzebeständige
Klebschicht (Schmelzkleber) vorgesehen werden oder können zusätzliche
wärmeisolierende
oder akustisch wirksame Materialien eingelegt werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
weist die metallische Folie 2 alle 10–30 mm mindestens 1–5 erfindungsgemässe Faltentaschen 4 auf.
Diese Faltentaschen 4 können je
nach Verwendungszweck unterschiedlich dimensioniert sein oder angeordnet
sein.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erfindungegemäss aufgebautes
Bauteil 1. Dieses weist mindestens auf einer Seite eine
metallische Folie 3 auf, welche beim fertig hergestellten
Bauteil 1 als Wärme
reflektierende Folie wirken soff. Vorzugsweise wird für diese
Folie 3 Aluminium verwendet. Diese Folie 3 ist
an einer Trägerschicht 2 befestigt
und weist Faltentaschen 4 auf, walche in die Trägerschicht 2 eingebettet
sind. Diese Faltentaschen 4 entstehen beim Formungsprozess
und werden vom Material der Trägerschicht 2 vollständig umgeben.
Die Ausbildung dieser Faltentaschen 4 führt zu einer festen Verkrallung,
d.h. formschlüssigen
Verbindung, zwischen der metallischen Folie 3 und der Trägerschicht 2.
Diese Faltentaschen werden in einfacher dadurch erzeugt, dass für Formungsprozess
genoppte oder anderweitig verformte Folien verwendet werden. Je
nach Verwendungszweck können
diese Faltentaschen 4 vom Fachmann unterschiedlich dimensioniert
und/oder angeordnet werden. Für
die Erfindung erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass bei
dieser Art der Verankerung die Folie 3 nicht mit Perforationen
versehen werden muss, um eine mechanische Befestigung vornehmen
zu könnend.
Insbesondere bleiben die Verankerungsbereiche 6 , d.h.
die Bereiche mit den Faltentaschen 4 vor der das thermoplastische
Material der Trägerschicht 2 beeinträchtigenden
Infrarotstrahlung geschützt.
Natürlich
bleibt es dem Fachmann freigestellt, die Folie 3 aus anderen
Grüden, z.B.
aus akustischen Gründen,
mit Perforationen zu versehen und ein anders Material für die Trägerschicht 2 vorzusehen,
oder zwischen die metallische Folie 3 und der Trägerschicht 2 eine
weitere Zwischenschicht vorzusehen. So steht es dem Fachmann frei,
als Zwischenschicht bspw. einen Schmelzkleber, ein Keramikschicht
und/oder eine akustisch wirksame Schicht einzubringen.
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Beim Formungsprozess wird eine metallische
Folie 3, welche vorgängig
genoppt oder anderweitig mit geometrischen Verformungen versehen wurde,
in einer geheizten Formpresse mit einem LFT-, GMT oder anderen geeigneten
Kunststoffmaterial belegt. Dabei wird die Seite mit den Verformungen,
insbesondere mit den Noppen, dem Kunststoffmaterial zugewendet und
werden diese Verformungen beim Auflegen des Kunststoffmaterials
zusammengedrückt,
gestaucht oder beliebig gefaltet. Dabei werden die erfindungsgemäss verwendeten
Taschenfalten gebildet, welche es erlauben, dass das fliessfähige Kunststoffmaterial
hinter die ainzelnen Taschenfalten 4 fliessen kann, um
diese vollständig in
sich einzubetten. Dadurch kann eine erfindungsgemässe formschlüssige Verbindung
in einfacher Weise erzeugt werden. Durch den Formungsprozess wird
das faserige Kunststoffmaterial gehärtet, um die gewünschte Trägerschicht 2 zu
bilden. Gleichzeitig führt
das Aushärten
der Kunststoffschicht 2 zu einer sicheren und langfristig
stabilen mechanischen Verbindung mit der metallischen Folie 3.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung der Messergebnisse zum Schälwiderstand
WS bei verschiedenen Anordnungen A, B; C.
In der vorliegenden Schrift soll wird unter Schälwidarstand WS die Haftfähigkeit
dar metallischen Folie am thermoplastischen Trägerteil verstanden, d.h. ein
Mass für
die benötigte
Kraft pro Flächeneinheit
für das
Abtrennen der metallischen Folie 3 von der Trägerschicht 2 sein. Die
Messwerte im Bereich (I) betreffen Anordnungen, welche noch keinem
Alterungsprozess unterworfen worden sind, während die Messwerte im Bereich
(II) Anordnungen betreffen, welche einer Temperatur von 140°C über eine
Dauer von 1000 Stunden ausgesetzt worden sind. Die Messwerte A(I)
und A(II) beziehen sich auf eine Anordnung A, bei welcher zwischen
einem LFT-Formteil und einer Aluminiumfolie ein herkömmlicher
Metallschmelzkleber (MSK25) verwendet worden ist. Die Messresultate
zeigen, dass es damit zu keiner messbaren Haftung gekommen ist.
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Die Messwerte B(I) und B(II) betreffen
eine Anordnung B, bei der zwischen einem LFT-Formteil und einer Aluminiumfolie ein
für die
Verbindung von Aluminium und Polypropylen optimierter Kleber (HSK15)
verwendet worden ist. Die dazu erhaltenen Messwerte B(I) machen
deutlich, dass bei dieser Anordnung im ungealterten Zustand ein
ausserordentlich hoher Schälwiderstand
WS = 1.2 N/mm2 erreicht werden
kann. Jedoch zeigen die Messwerte B(II), dass sich der Schälwiderstand
nach dem Alterungsprozess WS = 0.15 N/mm2 reduziert hat (ca. 85% Reduktion des Haftwertes).
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Die Messwerte C(I) und C(II) betreffen
eine erfindungsgemässe
Anordnung C, bei welcher eine mit Formtaschen versehene Aluminiumfolie
auf einem LFT-Formteil angebracht worden ist und zwischen diesem
LFT-Formteil und der Aluminiumfolie kein Kleber verwendet worden
ist. Der mit der erfindungsgemässen
Anordnung C und ohne Verwendung eines zusätzliche Klebers erzeugte Schälwiderstand
beträgt
im ungealterten Zustand WS = 0.2 N/mm2, während
sich der Schälwiderstand
für diese Anordnung
C nach 1'000 Stunden
Wärmebehandlung
lediglich auf WS = 0.16 N/mm2 verringert
hat (ca. 20 % Reduktion der Haftfähigkeit). Diese Messergebnisse
machen die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung deutlich. Insbesondere
kann dar Fachmann ohne weiteres erfinderisches Dazutun die Dimensionierung
und Gestaltung der Faltentaschen in geeigneter Weise beeinflussen
und optimieren.