DE4439827A1 - Verbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und Verfahren zur Fügetechnik von Leichtbauformteilen, die mittels dieses Verbund­ werkstoffes hergestellt werden. Der Verbundwerkstoff besteht aus einem Trägermaterial, d. h. vorzugsweise einem Aluminium- oder Stahlblech, das mit einer Kunststoffbeschichtung versehen ist, die durch die Beimengung geeigneter thermischer Treibmittel so ausge­ führt ist, daß sie aufschäumt, sobald das Material erwärmt wird. Dadurch wird eine Hartschaumschicht ausgebildet, die das Material versteift. Das Trägermaterial bleibt umformbar, so daß mit dem Verbundwerkstoff verstärkte Formteile in Schichtenverbundbauwei­ sen in einem Arbeitsgang herstellbar werden. Die aufschäumende Kunststoffbeschichtung ermöglicht Klebemontagen.

Stand der Technik

Es sind unterschiedliche Verbundwerkstoffe bekannt, die als Leicht­ baumaterialien verwendet werden. Bei den sogenannten Sandwich­ bauweisen werden parallele Deckschichten durch eine Kernlage ver­ bunden. Je nach Beanspruchung werden als Deckschichten zug­ feste Materialien, Bleche oder glasfaserverstärkte Kunststoffe einge­ setzt, für die Kernlagen diverse Kunststoffhartschäume, Balsaholz oder Verstärkungswaben, etc. Die Sandwichbauweise nutzt den Umstand, daß bei einer belasteten Platte an der Oberseite und an der Unterseite Zugkräfte auftreten, die Mittelschicht (neutrale Faser) jedoch nur relativ geringere Schubkräfte aufnehmen muß. Die Mater­ ialdicke geht bekanntlich mit der dritten Potenz in die Berechnung der Biegesteifigkeit ein. Sandwichplatten lassen sich deshalb im Gegen­ satz zu Blechen nicht umformen, vor allem nicht sphärisch, so daß die Herstellung von Formteilen in Sandwichbauweisen sehr aufwen­ dig ist und bei allen bekannten Fertigungsverfahren, wie z. B. der Herstellung von glasfaserverstärkten Laminaten über Schaumker­ nen, mehrere Arbeitsschritte erfordert.

Formteile in Schichtenverbundbauweisen werden daher, obwohl sie in vielen Bereichen technische Vorteile bieten würden, kaum in Groß­ serienproduktionen eingesetzt. Ihre Anwendungen beschränken sich hauptsächlich auf den handwerklichen Bootsbau und den Flugzeug­ bau.

Das einzige Material, mit dem sich Formteile in einer der Sand­ wichbauweise ähnlichen Struktur in einem Arbeitsgang herstellen lassen, ist kein Verbundwerkstoff. Integralschäume, englisch "self skinning foam", sind Kunststoffschäume, die in eine Form geschäumt werden und dabei eine geschlossenen Oberfläche vergleichbar einer Brotkruste ausbilden. Hierzu werden Duroplaste in geheizten Formen und Thermoplaste in gekühlten Formen aufgeschäumt. Beim Thermoplast-Schaumguß-Verfahren, das dem Spritzgußverfahren ähnlich ist, verwendet man treibmittelhaltige Granulate, die durch die Extrusionswärme aufschäumen; der Vorteil liegt unter anderem in dem geringeren Werkzeuginnendruck. Für Duroplaste sind darüber hinaus durch Glasfasern verstärkte Reaktionsspritzgußverfahren (RRIM, Reinforced-Reaction-Injection-Moulding) bekannt, die u. a. im Fahrzeugbau angewendet werden. Integralschaumteile sind gegen­ über anderen Sandwichformteilen mit verklebten, hochfesten Deck­ häuten jedoch wesentlich weniger zugfest und schwerer.

Schichtenverbundbauteile mit doppelten metallischen Deckschichten finden fertigungstechnische Grenzen in der Dimensionierung der Bleche, die den Leichtbaunutzen einer idealtypischen Sandwichkon­ struktion für viele Konstruktionen mindern. Meistens werden Sand­ wichkomponenten mit doppelten Deckschichten bei integrierenden Tragwerkkonstruktionen als mittragende oder tragende Außenhaut­ bauteile verwendet. Bei Formteilen mit gewölbten Flächen reicht bei vielen Dimensionierungen die Membransteifigkeit der festgelagerten Formteile jedoch aus, so daß Sandwichformteile mit doppelten Deck­ schichten jenseits einer kritischen Grenze, die in der konkreten Bau­ teilgeometrie begründet ist, kaum Gewichtsvorteile aufweisen. Dieser Einwand trifft bspw. im Automobilkarosseriebau zu.

Die Erfindung stellt sich auf diesem Hintergrund die Aufgabe, einen Verbundwerkstoff vorzuschlagen, mit dem sich auf produktionstech­ nisch einfache Weise Sandwich- bzw. Schichtenverbundbauteile (Hybridbauteile) mit doppelten oder einseitigen zugfesten Deck­ schichten fertigen lassen.

Beschreibung

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff wird an Hand von Zeich­ nungen im Einzelnen erläutert. Fig. 1. bis Fig. 8. zeigen Schnittzeich­ nungen des Verbundwerkstoffes in schematischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt das Trägermaterial (1) mit der Kunststoffbeschichtung (2), der bekannte thermische Treibmittel beigesetzt sind, die bei der Erwärmung Gase freisetzen, zunächst als Ausgangsmaterial und darunter mit aufgeschäumter Schaumschicht. Zur Beschichtung von Blechen (hier vorzugsweise: phosphatierte Stahlbleche oder chroma­ tierte Al-Bleche), oder allgemein Oberflächen mit Kunststoffschich­ ten sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Zur Verfügung stehen Streichmaschinen, Walzenauftragsmaschinen (Reverse-Roll-Coater), Laminieranlagen und elektrostatische Vorrichtungen. Der Kunststoff kann hierbei auch in plastifiziertem Zustand, jedoch noch unterhalb der Aufschäumtemperatur, aufgebracht werden, sonst wird die Beschichtung in flüssiger Form oder als eine auflaminierte Folie erfolgen. Auf diese Weise können treibmittelhaltige Kunststoffolien oder -tafeln auf der Trägerschicht aufgebracht werden. Ähnliche Materialien werden heute z. B. zur Herstellung von Einweglebensmit­ telverpackungen im Thermoformverfahren verwendet. Abhängig von den verwendeten Kunststoffsorten sind doppelschichtige Kunststoff­ aufbauten geeignet, etwaige Ablösungserscheinungen beim Schäu­ men an der Grenzschicht zu unterbinden. Als thermische Treibmittel sind insbesondere chemische Treibmittel (- im Gegensatz zu physi­ kalischen Treibmitteln, wie z. B. den Alkanen Pentan bis Heptan) einsetzbar. Chemische Treibmittel, z. B. Stickstoff-Nitrosoverbindun­ gen oder Azodicarbonamid, zerfallen exotherm bei höheren Tem­ peraturen unter Bildung inerter Gase und nichttoxischer Rückstände. Es ist auch möglich, die Beschichtungen in der Art eines Extrusions­ schaumes mit physikalischen Treibmitteln vor dem Aufbringen vorzuschäumen, um mit dem Beschichtungsprozeß ein weiteres Auf­ schäumen durch Kühlung und Druck zu unterbinden. In diesem Fall dehnen sich die gebundenen Treibgase erst durch Erwärmung bei der Plastifikation des Kunststoffes weiter aus und verursachen den versteifenden Aufschäumprozeß. Eine weitere Möglichkeit ist es, treibmittelhaltige, feine Granulate in eine Klebeschlichte einzubinden und die Trägermaterialien mit dieser Mischung zu beschichten. Der daraus entstehende Schaum wird einem aufgebrachtem Partikel­ schaum entsprechen. Die Einbringung von Treibgasen (z. B. CO₂, N) durch nachträgliche Begasung von Thermoplasten in einem Auto­ klaven unter Druck ist bekannt und erscheint bedingt anwendbar, d. h. hier insbesondere auch für umgeformte Werkteile. Falls Treibmittel verwendet werden, die brennbare Gase freisetzen, können diese abgesaugt und zur Erzeugung der Prozeßwärme thermisch genutzt werden, sofern in geschlossenen Systemen geschäumt wird.

Als Kunststoffbeschichtungen sollten im Hinblick auf ein späteres Recycling, bei dem das metallische Trägermaterial der stofflichen Wiederverwertung zugeführt werden wird bei gleichzeitiger ther­ mischer Verwertung der Kunststofffraktion als Energieträger für den Schmelzprozeß, vorzugsweise schadstoffarm verbrennende, chlor­ freie Thermoplaste verwendet werden. Ebenso sind bspw. (sich thermoplastisch verhaltene) Polyurethane und Polyester geeignet. Für den Eintrag an Luftschadstoffen durch die Verbrennung sind hauptsächlich die weitgehend vermeidbare Verwendung von Chlor, Fluor und Schwermetallen bei bestimmten Kunststoffsorten verant­ wortlich. Beim Verbrennen von chlorierten Kunststoffen wie z. B. Polyvinylchlorid (PVC) entstehen Säuren: Chlorwasserstoff, Fluor­ wasserstoff, außerdem polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzo­ furane. Auch Polycarbonat (PC), das durch Polykondensation von Phosgen entsteht, sollte nach Möglichkeit wegen des Gefährdungs­ potentials dieser Technologie vermieden werden, obwohl es für viele Anwendungen gut geeignet ist. Es soll weiterhin auf die Möglichkeit der Verwendung von Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen verwiesen werden, die sich für die Beschichtung eignen. So sind bspw. bereits ein Polyamid, Typ PA 11, aus pflanzlichen Rohstoffen auf dem Markt und ein Polyether für Polyurethane aus Rübenzucker bekannt. Dieser Aspekt gewinnt im konkreten Anwendungsfall insofern eine besondere Bedeutung, da die Beschichtungen später zur Metallschmelze verbrannt werden sollen. Bekanntlich binden Pflanzen beim Wachstum Kohlendioxid; im Fall von Zuckerrüben, die allerdings nur einen verwertbaren Zuckeranteil von maximal 20% aufweisen, übertrifft die CO₂-Bindung bei gleichen Anbauflächen diejenige von europäischen Mischwäldern.

Für Sandwichbauweisen haben sich eher zähelastische im Gegen­ satz zu sprödharten Schäumen als zeitstandfest und technisch geeignet erwiesen. Bevorzugt anwendbar sind demnach genannte technische Thermoplaste mit sehr guten thermischen Materialeigen­ schaften, bei geringeren Beanspruchungen aber auch Polyolefine, die einen beträchtlichen Kostenvorteil und einen niedrigen Ressour­ cenverbrauch aufweisen. Polypropylen (PP), u. U. auch in einem Blend mit Polyethylen-High Density (PE-HD), ist für die meisten Anwendungen hinreichend wärmestandfest und kälteschlagzäh. Polyolefine basieren bekanntlich ausschließlich auf Kohlen- und Wasserstoff. Bei der Verbrennung von PP entstehen also nur geringe Schadstoffbelastungen; bezogen auf 1 kg: 0.05 g Partikel; 1,3 g CO; 5,2 g NO_x; 0,36 g 502. Bei den Mengenkunststoffen bestehen allein für PE- und PP-Monomere keinerlei MAK-Werte. Auch energetisch sind PE und PP im Hinblick auf ein Recycling des Verbundwerk­ stoffes gut geeignet; von der insgesamt verbrauchten Produktions­ energie lassen sich hier 62% bzw. 60% durch thermische Nutzung rückgewinnen; bei PVC sind es beispielsweise nur 34%. Polyolefine sind darüber hinaus auch für ein monomeres Recycling geeignet. Daneben kommen für technisch anspruchsvollere Anforderungen unter anderen in Frage: Polyphenyloxid (PPO), auch in Copolymeri­ sation mit Polystyrol (PS), die hochtemperaturbeständigen Thermo­ plaste Polyetherimid (PEI) und Polyethersulfon (PES), die bisher als Hartschäume hauptsächlich im Flugzeugbau Anwendung finden, und Polyimid (PMI). Diese Kunststoffe verursachen jedoch relativ hohe Werkstoffkosten. Für nur sehr geringe Beanspruchungen genügt schließlich PS. Auch die Styrolcopolymerisate, die jedoch gegenüber PP keine Kostenvorteile versprechen und bei der Verbrennung höhere Problemstoffemissionen freisetzen, sind technisch geeignet.

Als Kunststoffadditive werden Brandschutzausrüstungen und ggf. Antioxidantien benötigt. Antimon- und bromhaltige Flammschutzmittel sind hierbei durch Aluminumverbindungen substituierbar, um Schwermetallbelastungen zu vermeiden. Dies hat den zusätzlichen Nutzen, daß das Al bei dem metallurgischen Recycling, bei dem zur Entflammung nötigenfalls mit reinem Sauerstoff gefrischt werden kann, in die Legierung eingeht, und daß ggf. eine elektrische Leit­ fähigkeit der verdichteten Oberflächen hergestellt werden kann, wozu auch Al-pulver oder Aluminiumoxid der Kunststoffbeschichtung beimischbar sind. Diese Leitfähigkeit ist für elektrostatische Lackier­ verfahren, z. B. für die Grundierung, nutzbar. Es bieten sich also Al­ hydroxid als Flammschutzmittel an, oder auch Al-Mikrofasern, die gleichzeitig eine Verstärkung bewirken können, z. B. Na Al(OH)₃CO₃.

Für das Recycling von beschichteten Al-Blechen (- heute sind dies hauptsächlich innen und außen lackierte Getränkedosen) existieren bereits energetisch effiziente Anlagen, bei denen die Beschichtung zunächst abgeschwelt, die Metallfraktion dabei vorerwärmt, und die Schwelgase anschließend zum metallurgischen Recycling genutzt, daß heißt nachverbrannt werden. Diese Herdöfen mit Vorherd haben einen geringen Metallverlust von nur rd. 3% und einen sehr geringen Energiebedarf von 5.400 MJ per t Al. Bei einem unteren Heizwert von PP von 44 MJ je kg Sandwichbeschichtung ergeben sich bei einer üblichen Sandwichausführung hohe energetische Über­ schußerträge, die einer Kraft-Wärme-Koppelung zugeführt werden können, so daß als ein Zusatznutzen Elektrizität erzeugt werden kann, bzw. Fernheizungen mit Abwärme versorgt werden können. Eine weitergehende Nutzung der überschüssigen Pyrolysegase aus den Kunststoffbeschichtungen kann darin bestehen, daß Kohlenwas­ serstoffe monomer rückgewonnen, d. h. raffineriert, werden, die dann als Rohstoff für die Sekundärkunststoffproduktion genutzt werden, womit ein stoffliches Recycling auch der Kunststofffraktion realisier­ bar wird. Während bei konventionellen Öfen 500 bis 600 kg Salz­ schlacke per t Sekundäraluminium aus Abdecksalzen als Abfälle anfallen, sind dies bei dem Recyclingofen mit Vorherd 120 kg.

Stoffliche Recyclingverfahren für Verbundwerkstoffe, bei denen die Kunststofffraktion abgetrennt wird, sind ebenfalls bereits im Anwendungsstadium. Die Einsparungen und der Materialgewinn aus diesen Verfahren sind jedoch aufzurechnen gegen den für sie notwendigen Energieaufwand plus der Energieeinsparung, die die thermische Verwertung des Kunststoffes bedingt. Beispielsweise werden Compact Discs (Schallplatten), die bekanntlich polycarbonat­ beschichtete und zusätzlich lackierte Aluminiumbleche sind, nach mechanischer Bearbeitung einer Hydrolyse zugeführt. Das so ge­ wonnene Regranulat kann in anderen Produktbereichen weiter­ verwendet werden. Bei ebenen Sandwichplatten für geringere Bean­ spruchungen, wie sie im Baubereich oder Kühlwagenbau verwendet werden, ist im allgemeinen eine mechanische Abtrennung der Deckschichten möglich. Teilweise ist auch ein Einschmelzen der Beschichtungen möglich, so daß sich aus der Schmelze mechanisch ein Regranulat rückgewinnen läßt, so z. B. bei hochtemperatur­ beständigen PEI- und PES-Beschichtungen. Allgemein ist zu unterscheiden zwischen Produktionsabfällen, die relativ einfach wiederaufbereitbar sind, indem sie einer stofflichen oder chemischen Verwertung (Alkoholyse/Hydrolyse) zugeführt werden, und ausge­ brauchten Produkten, bei denen die Kunststofffraktion vorzugsweise als Energieträger für das metallurgische Recycling genutzt werden wird. Auch bei diesen Verfahren ist in der Regel dem Recycling eine Shredderanlage vorgeschaltet, in deren Windsichter ein Großteil der Kunststoffbeschichtungen aufgefangen wird. Ebenso können mit Hilfe von Schwimm-Sink-Sortierungen Kunststoffleichtfraktionen nachträglich aus dem Shreddergut abgeschieden werden.

Leichtmetallschäume können ebenfalls auf umformbare Trägerma­ terialien aufgebracht werden, wozu das pulvermetallurgische Aus­ gangsmaterial in eine organische Klebeschlichte einzubinden ist. Auch hier erfolgt die Aufschäumung durch Erwärmung oberhalb einer kritischen Temperatur. Ein vorbekanntes Treibmittel zur Ausbildung von Aluminiumschäumen ist Titanhydrid. Das Trägermaterial kann in diesem Fall eine bei Erwärmung superplastische Al-Legierung sein, so daß die Umformung in der Art einer pneumatisch unterstützten Thermoumformung über einen Formkern erfolgen kann, analog zu sog. Kunststofftiefziehverfahren. Pneumatische Umformverfahren für das Ausgangsmaterial werden durch die geringeren Dicken der Plati­ nen allgemein begünstigt und müssen im Versuch geprüft werden.

Fig. 2. zeigt zwei beschichtete Trägermaterialien (1a und 1b) die mit der Kunststoffbeschichtung (2a und 2b) gegeneinander liegen. Bei der Erwärmung wird eine plane Sandwichplatte mit zwei Deck­ schichten dadurch gebildet, daß die beiden aufschäumenden Beschichtungen (2a und 2b) miteinander verbinden. Die obenlie­ gende Platte (1a) kann dabei entweder pneumatisch fixiert werden, oder elektromagnetisch, bei einer Ausführung des Trägermaterials als Stahlblech.

Fig 3. zeigt ebenfalls die Ausbildung einer planen Sandwichplatte. Das Trägermaterial (1) ist parallel zu einer Deckschicht (3) ange­ ordnet, die z. B. ein grundierter Preßstoff oder ein Holzwerkstoff sein kann. Die Kunststoffbeschichtung (2) schäumt gegen die Deckschicht (3) auf und verklebt mit ihr. Einfache Sandwichplatten entsprechen­ der Bauart werden bspw. im Kühlwagen- oder Wohnwagenbau eingesetzt und erscheinen auch im Waggonbau anwendbar. Auf die Kunststoffbeschichtung (2) ist ein Werkteil (4) aufgelegt, das durch die Deckschicht (3) fixiert ist. Das Werkteil (4) ist hier als ein Metallinlet für eine Verschraubung dargestellt. Die aufschäumende Kunststoffbeschichtung verdichtet an der Auflagefläche des Einlege­ teils, die Treibgase der Beschichtung entweichen in die übrige Schaumschicht. Rund um das Metallinlet wird eine höher verdichtete Schaumschicht ausgebildet und an der Auflagefläche erfolgt eine Verklebung. Auf gleiche Weise können Krafteinleitungen oder Ver­ steifungen als Einlegeteile in Sandwichteile eingebracht werden. Das Einlegeteil (4) macht eine pneumatische Fixierung der Deck­ schicht (3) überflüssig, da die Deckschicht (3) aufgeständert wird. Bei dieser Anwendung kann bspw. PS-Schaum verwendet werden.

Fig. 4. zeigt ein Formteil aus umgeformten Trägermaterial (1) mit Kunststoffbeschichtung (2). Bei einem freiem Aufschäumen der Beschichtung wird eine Schaumschicht ausgebildet, die zu der Deck­ schicht in etwa parallel verläuft. Im allgemeinen ist ein Aufschäumen in einem Werkzeug zu bevorzugen, wobei die Schaumschicht die Kontur des Werkzeuges abformt. Das Aufschäumen kann durch Erwärmung des Werkzeuges ausgelöst werden oder durch Einleitung eines heißen Gases (bspw. Luft, Wasserdampf). Auch die gezielte Erwärmung der Kunststoffbeschichtung durch Hochfrequenzwärme (Mikrowellenerwärmung) erscheint praktikabel. Die Ausbildung einer geschlossenporigen Oberfläche der Schaumschicht kann dadurch erreicht werden, daß Werkzeugflächen gekühlt werden. Die so ge­ wonnenen Kunststoffoberflächen sind analog zu den Oberflächen von Integralschaumteilen mit den gleichen Lacken wie Metallober­ flächen lackierbar, z. B. auch in Tauchbädern, bzw. metallisierbar. Falls als Trägermaterial (1) Stahlbleche verwendet werden, kann die Prozeßwärme zum Aufschäumen durch elektromagnetische Induk­ tion hochfrequenter Wechselfelder in dem Trägermaterial (1) direkt erzeugt werden, während das Werkzeug zum Zweck der Oberfläch­ enerzeugung gleichzeitig gekühlt wird. Ferner ist es möglich, in dem Umformwerkzeug direkt aufzuschäumen, um einen weiteren Arbeits­ gang einzusparen. Hierzu wird ein Gesenkwerkzeug um die Material­ stärke des späteren Schichtenverbundformteiles auseinander ge­ fahren und erwärmt. Auch diese Werkzeuge können zwecks Ausbil­ dung einer thermoplastischen Integralschaumdeckschicht an der der kunststoffbeschichteten Werkstoffoberfläche zugewandten Werk­ zeugseite simultan gekühlt werden.

Fig. 5. zeigt ein doppelschaliges Sandwichteil, daß dadurch erzeugt wird, daß zwei umgeformte Trägermaterialien (1) mit den Seiten der Kunststoffbeschichtungen (2) zueinander aufgeschäumt werden. Die Trägermaterialien (1) sind in dem gleichen Werkzeug umgeformt worden, so daß die Deckschichten parallel liegen. Die Kante des Werkstückes wird durch den Kunststoffschaum gebildet. Sie kann, wie oben beschrieben, gekühlt werden, um verdichtet zu werden.

Fig. 6. zeigt analog zu Fig. 5. ebenfalls ein doppelschaliges Sand­ wichteil, allerdings mit nicht parallelen Schalenkonturen. Diese Bauweise hat den Vorteil, daß die Schalen im Kantenbereich aufein­ anderliegen können und an den Auflageflächen beim Aufschäumen miteinander verkleben. Die Versickungen der innenliegenden Scha­ lenkontur tragen hier zusätzlich zu einer Versteifung bei.

Der von den beiden Formteilen gebildete Hohlraum kann durch die aufschäumende Kunststoffbeschichtung (2) verfüllt werden, oder es werden vorgeformte Hartschaumteile eingelegt, die mit der Be­ schichtung verkleben. Hierzu eignet sich u. a. Polypropylenpartikel­ schaum, der analog zu geschäumten Polystyrol (EPS) im Dampf­ stoßverfahren gefertigt wird. Die hierbei auftretenden nicht ozon­ reaktiven Treibgase können zur Erzeugung von Prozeßwärme thermisch genutzt werden. Ebenso können auf die beschriebene Weise nicht beschichtete Bleche mit dem Verbundwerkstoff verbun­ den werden. Diese Bleche müssen gegebenenfalls entsprechend grundiert werden.

Die aufeinanderliegenden Flansche der Formteile erhalten durch den Schäumdruck eine Art verpreßte Verklebung. Sie können zusätzlich zur Klebemontage mittels Druckfüge- oder Durchsetzfügetechniken verbunden werden, oder mittels Nieten, wobei Stanznieten geeignet sind, die keine Vorbohrung benötigen. Bei einer Aufschäumung in einem Werkzeug können die Vorrichtungen, die zum Druckfügen oder Nieten dienen, in dieses Werkzeug integriert werden, so daß beim Werkzeugschluß simultan mechanisch gefügt wird.

Fig. 7. zeigt ein doppelschaliges Sandwichteil mit parallelen Kon­ turen, in dessen Kantenbereich ein Distanzstreifen (5) eingelegt ist, der beim Aufschäumen an den Auflageflächen verklebt und im Unterschied zu Fig. 5. eine verstärkte Ausbildung des Kantenbe­ reichs als ein Metallaminat erlaubt.

Fig. 8. zeigt eine Ausführung, die der vorangegangenen ähnlich ist. Nur ist hier der Distanzstreifen ein stranggepreßtes Profil (6), das der Kontur der Formteile gemäß gebogen sein kann. Diese Bauweise hat den Vorteil, daß der Querschnitt des Profils (6) so ausgeführt wird, daß das Sandwichteil für die mechanische Verbindung mit weiteren Werkteilen vorbereitet ist, etwa für Nut- und Federverfu­ gungen und ähnlichen, aus der Profilbauweise bekannten Verbin­ dungstechniken.

Vorteile - allgemein

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist verschiedene Vor­ teile auf.

Das Verfahren ist vielseitig einsetzbar. So lassen sich damit z. B. komplexe Tragwerke ebenso herstellen wie simple isolierte Platten für den Baubereich. Vor allem als Karosserieblech im Fahrzeugbau wird das Material wesentliche Vorteile bieten können. Sandwichform­ teile mit doppelten Deckschichten werden mit dem Werkstoff in nur einem einzigen Arbeitsgang einfach herstellbar, die aufschäumende Kunststoffbeschichtung ermöglicht rationelle Klebemontagen.

Die erzielbare Gewichtseinsparung im Vergleich zu Stahlblech bei vorgegebener Biegesteifigkeit beträgt für ideale ebene Sandwich­ platten mit doppelten Stahldeckschichten rd. 50% und bei doppelten Aluminiumdeckschichten rd. 80%.

Auch der asymmetrische Aufbau mit einer einseitigen, verdichteten Schaumstoffdeckschicht in der Art eines Integralschaumstoffes kann als ein tragendes, leichtes Konstruktionsmaterial in Sandwichbau­ art gestaltet werden. In seiner Struktur entspricht dieser Aufbau sehr gut den Belastungen im Fahrzeugbau. Das fertigungstechnisch bedingte Dimensionierungsproblem der zwei Deckschichten, die eine Mindestdicke nicht unterschreiten können, wird umgangen, der negative Nebeneffekt der Beulempfindlichkeit von Sandwiches mit sehr dünnen Deckhäuten vermieden. Die einseitige Hinterschäum­ ung kann modellhaft mit der Struktur eines T-Profilträgers verglichen werden, versus eines Doppel-T-Profils, im Falle einer Sandwichbau­ weise. Die Membransteifigkeit von Formteilen wird hierbei durch Stärkung des Biegeanteiles unterstützt, und damit natürlich auch die sogenannte Durchschlagsteifigkeit eines gewölbten Bauteiles. Die Bauweise hat wegen der größeren Gesamtmaterialdicken und der höheren Steifigkeit positiven Effekt auf das plastische Energieauf­ nahmevermögen relativ zu Stahlblechschalen gleichen Gewichts, womit sich die Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung auch bei Strukturen ergibt, die für die Absorption kinetischer Energie ausge­ legt werden müssen.

Die Beschichtung eines Karosseriebleches, z. B. eines Fahrzeug­ daches oder einer Motorhaube, mit einer Integralschaumschicht, verspricht zusätzlich ein sehr gutes akustisches Materialverhalten, da störende Blechresonanzen im Fahrbetrieb vermieden, und andere Resonanzgeräusche an der verdichteten inneren Schaumschicht reflektiert werden.

Die Bauweise stellt eine Alternative zu produktionstechnisch auf­ wendigeren Unterfütterungen mit Verstärkungswaben oder Gitter­ rahmen oder zur Schalenbauweise dar. Mit dem Verbundwerkstoff lassen sich selbsttragende oder mittragende Leichtbaustrukturen bilden, deren Verwindungssteifigkeit durch die Materialhöhe der Aufschäumung einstellbar ist. Genauso ist die Elastizität der Hart­ schaumschicht für die jeweilige Anwendung einstellbar, potentiell bis hin zu Weichschäumen. Die flächige Verbindung der Schaum­ schicht mit der Deckschicht ist hochbelastbar, da der Schaum, der aus der Beschichtung heraus aufgeschäumt wird, auch im Verbin­ dungsbereich (- d. h. an der Grenzschicht zum Trägermaterial) höher verdichtet ist, als im weniger beanspruchten Kernbereich.

Gegenüber dünnwandigen Integralschaumteilen, die zudem keine vergleichbaren Festigkeiten erreichen können, müssen keine Werk­ stofffließwege berücksichtigt werden. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit der Außenhaut des Verbundwerkstoffes bei Anwen­ dungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau vorteilhaft.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht allein schon darin, daß sich dünne Bleche kunststoffbeschichtet besser umformen lassen. Dies gilt speziell für fast foliendünne Blechplatinen, da bspw. eine Dicken­ reduzierung auf weniger als ein Zehntel theoretisch notwendig wird, um die oben angeführten Leichtbaupotentiale einer Sandwichbau­ weise voll auszunutzen, was bisher aus Sicht der Fertigungstechnik unrealistisch war. Das vorgestellte Verfahren benötigt demnach auch nur relativ geringe Preßdrücke zur Formteilherstellung, womit insbe­ sondere natürlich im Vergleich zu konventionellen Blechformteilbau­ weisen und der selbsttragenden Schalenbauweise die Verwendung weit kostengünstigerer Werkzeuge und Anlagen ermöglicht wird.

Bei der Herstellung von Sandwiches (z. B. auch Platten) entfällt die Erfordernis hydraulischer Pressen, weil ein ausreichender Anpreß­ druck für die Verklebungen allein durch den Schäumdruck entsteht. Dieser Vorteil gilt analog für alle aus der Beschichtung entstehenden Klebemontagen. Die Klebemontagen erschließen ein gravierendes produktionstechnisches Rationalisierungspotential, da sie ein neues Element der Fügetechnik innerhalb komplexer Gefüge realisieren werden und somit neue, integrative Konstruktionen begünstigen.

Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff auf einer Stahlblechträger­ schicht bietet Kostenvorteile gegenüber derzeit rd. dreifach teureren unverstärkten Aluminiumblechen vergleichbaren Gewichts, vergleich­ barer Steifigkeit und Festigkeit. Unter Berücksichtigung des Leicht­ baufaktors und der Annahme der Verwendung von PP kann sich ein Materialkostenvorteil sogar gegenüber Stahlblechen ergeben, und Aluminium-PP-verbunde weisen allgemein Materialkostenvorteile relativ zu unverstärkten Al-Blechen auf. Die Verfahrenstechnik wird in weiten Bereichen im Vergleich zu GfK-Verfahren (- SMC, RRIM aber auch andere Verfahren) und RIM wirtschaftlicher sein.

- ökologische Vorteile

Das ökologische Leistungspotential der Schichtenverbundbauweise liegt in der Vermeidung des Verbrauches endlicher Ressourcen, d. h. von Metallen und fossilen Energieträgern, und vor allem in der damit verbundenen Emissions- und Abfallvermeidung begründet. Nach ökologischer Analyse verspricht allein die Verlangsamung des an­ thropogenen Stoffmengendurchflusses im Ökosystem einen Nutzen.

Bei der Bewertung des Verbundwerkstoffes ist der jeweils erreich­ bare Leichtbaufaktor zu berücksichtigen, der bereits eine Materialver­ meidung und eine Minderung der Transportintensität von Rohstoffen und Endprodukten beschreibt.

Der Kunststoffschaum substituiert bei der Schichtenverbundbauwei­ se in dem erheblichen Maße Metall, in dem er zur Verringerung des Gewichtes beiträgt plus Eigengewicht. Kunststoffen kommt als Werkstoff eine Sonderstellung zu. Der Energie-Input zu ihrer Herstel­ lung bleibt bis auf die Verfahrensverluste als Brennwert erhalten, im Gegensatz zu Metallen, bei denen er verloren geht. Er ist auf das Volumen und selbst auf gleiche Steifigkeit bezogen geringer als bei Metallen. Der Energiebedarf für die Produktion eines massiven Ther­ moplastes beträgt im Durchschnitt volumenbezogen nur ca. 1 zu 9 in Relation zu Aluminium und ca. 1 zu 5 bezogen auf Stahl. Bei ge­ schäumten Kunststoffen fällt dieses Verhältnis natürlich noch um ein großes Vielfaches günstiger aus. Jeder Liter Rohöl, der als Neu­ material oder auch Recyclatanteil für die Produktion von Schichten­ verbundwerkstoff verwendet wird, enthält demnach drei zusätzliche energetische Nutzen: er spart Produktionsenergie ein, er ersetzt Primärenergie beim Recyclingprozeß und er spart Transportener­ gien. Die für die Schichtenverbundbauweisen eingesetzten Kunst­ stoffe sparen tatsächlich im Vergleich mit dem Stand der Technik ein großes Vielfaches dessen an Rohöl (oder anderen fossilen Energie­ trägern) ein, das ihre Produktion erfordert.

Die Optimierung des Transportenergiebedarfes gewinnt natürlich besondere Relevanz bei Materialanwendungen im Flugzeug- und Fahrzeugbau, wo durch Leichtbauweisen Luftschadstoffemissionen und insbesondere Kohlendioxidemissionen (CO₂) vermindert werden. Bei der Verbrennung von 1 t Treibstoff entstehen allein 3,15 t CO₂.

Mit der leichtbaubedingten Metallsubstitution wird demnach bereits ein sehr wesentliches Potential der Emissionsvermeidung durch Schichtenverbundbauweisen deutlich. Hinzu kommt, daß PP oder auch andere Thermoplaste bei der Produktion einschließlich Entsor­ gung (d. h. hier bei Verbrennung) eine vergleichsweise geringere Luft- und Wasserbelastung gegenüber der Produktion von Metallen verur­ sachen. Die entsprechenden Schadstoffbelastungen wurden im folgenden verglichen, indem die diversen Schadstoffmengen durch ihren jeweils gesetzlich zulässigen Konzentrationsgrenzwert für Atemluft bzw. Wasser dividiert und dadurch die Luft- oder Wasser­ menge errechnet wurde, die durch Emissionen bis zum Grenzwert belastet ist. Einer Studie des Bundesamtes für Umwelt, Wald und Landschaft¹ zufolge, beträgt das Verhältnis für PP volumenbezogen für die schadstoffbelastete Luftmenge: 1 zu 36,7 für PP/Al; bzw. 1 zu 20 für PP/Weißblech; für die schadstoffbelastete Wassermenge: 1 zu 15,6 für PP/Al; bzw. 1 zu 7,5 für PP/Weißblech. Diese Werte ver­ bessern sich zwar bei zunehmenden Anteil von Sekundärmetallen zugunsten der Metalle, doch bleibt die ökologische Bilanzierung der Schichtenverbundbauweise auch bei steigendem Recycling positiv. So bietet deshalb auch Aluminiumschaum anstatt Kunststoffschaum keinen ökologischen Vorteil. Im Vergleich zu PP hat recycliertes Alu­ minium zwar nur noch einen Energieäquivalenzwert von 42,5 MJ/ dm³, doch die Differenz zwischen Energieäquivalenzwert und unter­ em Heizwert von PP, die für einen Vergleich ausschlaggebend ist, beträgt nur 26 MJ/dm³; außerdem entstände die 3,2-fache Luftschad­ stoffbelastung nach Grenzwerten.

Ein weiterer Vorteil ist, daß natürlich auch feste Produktionsabfälle aus der Rohstoffgewinnung, die teilweise hoch schadstoffbelastet sind, erheblich vermindert werden, ebenso wie die ökologischen Belastungen aus der Erzförderung.

Eine sehr weitgehende Möglichkeit der Minderung von Schadstoff­ belastungen ergibt sich vor allem im Materialvergleich zu Aluminium. Unter der Annahme eines realistischen Leichtbaufaktors von 0.6 ver­ ursacht Aluminium im Vergleich zu Stahlblech eine über 3-fache Luft­ schadstoffbelastung bei technisch vergleichbaren Materialanwendun­ gen, eine 3,5-fache Wasserbelastung und über die doppelte Menge an festen Produktionsabfällen (ohne Berücksichtigung des Abrau­ mes aus der Erzförderung). Besonders bedenklich ist der überpro­ portional hohe Anteil des Waldschadstoffes Schwefeldioxid an den Luftschadstoffemissionen. Dennoch weist Aluminium für den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft potentielle Vorteile auf, da die stoffliche Ver­ wertung sowohl bei den Emissionswerten wie den Produktionsener­ gieverbrauchswerten der Rohstoffgewinnung zu wesentlicheren Ver­ besserungen als bei Stahl führt. Schichtenverbundbauweisen mit Deckschichten aus Stahlblech können also einerseits eine weniger belastende Leichtbaualternative darstellen, und andererseits können Schichtenverbundbauweisen mit Aluminiumdeckschichten die Ver­ fügbarkeit von umweltgerechterem Sekundäraluminium durch die weitgehende Metallsubstitution beschleunigen. Somit kann eine unvertretbar hohe ökologische Basisinvestition, wie sie etwa bei einer Werkstoffkonversion zugunsten von Aluminium im Automobilbau nach dem derzeitigen Stand der Technik gefordert wäre, vermieden werden; dies trifft vor allem für Anwendungen von Schichtenverbund­ bauweisen mit günstigeren Deckschichten aus Aluminium aus einer wasserkraftunterstützten Elektrolyse zu.

Abschließend kann unter der Voraussetzung eines geschlossenen Aluminiumkreislaufes mit der Verwendung von Kunststoffen aus nachwachsenden biologischen Rohstoffen, die während ihres Wachstums CO₂ binden, perspektivisch eine aus Solarenergie ge­ speiste Werkstoffgewinnung für eine Verkehrsinfrastruktur entworfen werden, die außerdem einen verminderten Bedarf an kinetischen Energien aufweist.

Die ökologischen Vorteile der Schichtenverbundbauweise erschließ­ en sich bei einer systemischen Betrachtungsweise. Zunächst mag es widersinnig erscheinen, Kunststoffe thermisch zu verwerten, um Luft­ schadstoffemissionen zu vermeiden. Dieses Unbehagen liegt jedoch in einer sektoralen Betrachtungsweise begründet, die einseitig auf die Aspekte des Recycling ausgerichtet ist, nicht auf die Vermeidung bzw. Verminderung von Belastungen. Bei der Schichtenverbundbau­ weise besteht der ökologische Nutzen in der verbesserten Energie­ produktivität und der effizienteren Ressourcennutzung.

1/ eigene Berechnungen nach: K. Habersatter und F. Widmer (Hrsg. Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL)), Oekobilanz von Packstoffen - Stand 1990, Bern 1991

Claims (14)

1. Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägermaterial (1), das ein Blech oder eine Kunststofftafel ist, mit einer Kunststoffbeschichtung (2) versehen ist, die durch die Bei­ mischung geeigneter Treibmittel so ausgeführt ist, daß sie bei Erwärmung oder sonstiger Zufuhr externer Energie aufschäumt und damit eine Versteifung des Trägermaterials (1) und gegebenenfalls der Formteile, die durch Umformung des Trägermaterials entstehen, bewirkt.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Trägermaterial (1), das ein durch Umformung ausgebildetes Formteil sein kann, in ein Werkzeug eingelegt und im Werkzeug erwärmt wird, so daß die Kunststoffbeschichtung (2) beim Aufschäumen die Kontur des Werkzeuges abformt.

3. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Werkzeug, in dem die Aufschäum­ ung erfolgt auf die Ausbildung einer geschlossenporigen, lackier­ fähigen Oberfläche des Schaumes in der Art eines Integralschaum­ stoffes dadurch vorbereitet ist, daß das Werkzeug gekühlt wird.

4. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von Stahlblechen als Trägermaterial (1) die Prozeßwärme zum Aufschäumen der Kunststoffbeschichtung (2) durch elektromagnetische Induktion im Trägermaterial (1) erzeugt wird.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Gesenkwerkzeug nach dem Umformen des Trägermaterials (1) um die Materialstärke des späteren Werkstückes geöffnet und die Kunststoffbeschichtung (2) soweit erwärmt wird, daß sie aufschäumt und die Kontur des Werkzeuges abformt, wobei eine geschlossenporige, lackierfähige Ausbildung der Kunststoffober­ fläche durch Kühlung der der Kunststoffbeschichtung (2) zugewand­ ten Seite des Werkzeuges erreicht werden kann, bzw. dadurch, daß nur die dem Trägermaterial (1) zugewandte Seite des Werkzeuges erwärmt wird.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Trägermaterialien (1a und 1b) mit den Seiten der Kunststoffbeschichtungen (2a und 2b) zueinander in einem Abstand fixiert und erwärmt werden, so daß bei dem Aufschäumen die Schaumschichten miteinander verbinden oder verkleben und ein doppelwandiges Werkteil mit einem Schaumkern ausgebildet wird.

7. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und insbesonders 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei umgeformte Trägermaterialien (1) vor dem Aufschäumen am Randbereich aufein­ anderliegen, bzw. daß am Randbereich zweier Trägermaterialien (1) zwischen diesen Trägermaterialien (1) vor dem Aufschäumen Dis­ tanzstreifen (5) eingelegt und die Trägermaterialien (1) fixiert werden, und, daß beim Aufschäumen die Auflageflächen durch die Kunststoff­ beschichtung (2) miteinander verklebt werden.

8. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1, 3 und insbesonders 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstreifen Profile (6) sind, die für mechanische Verbindungen verschiedener Werkteile durch die Ausbildung ihres Querschnittes, z. B. als Nut- und Federverfugungen o.a., vorbereitet sind.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschäumen der Kunststoffbeschich­ tung (2) Werkteile (4), wie z. B. Metallinlets für Verschraubungen, auf die Kunststoffbeschichtung (2) aufgelegt und durch Haltevorrichtun­ gen, eine Werkzeugkontur, eine zweite Deckschicht (3), die eine Oberfläche des Verbundwerkstoffes bilden soll, oder ein zweites Trägermaterial (1) fixiert werden, um bei dem Aufschäumen mit dem Trägermaterial (1) durch die Kunststoffbeschichtung (2) an der Aufla­ gefläche verklebt zu werden.

10. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff als Ausgangs­ material vor dem Aufschäumen auf einem Blechcoil konfektioniert wird.

11. Verbundwerkstoff nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbeschich­ tung (2) als Energieträger bei der stofflichen Verwertung des metallischen Trägermaterials (1) thermisch verwertbar ist, vorzugsweise indem die Beschichtungen abgeschwelt und die Schwelgase zur energetischen Nutzung bei der Metallschmelze nachverbrannt werden.

12. Verbundwerkstoff insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelgase zur Resynthetisierung von Monomeren nach dem Pyrolyseverfahren genutzt werden.

13. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kunststoffbeschichtung Aluminium­ pulver beigesetzt ist und/oder Feststoffe aus Aluminium beigesetzt sind, so daß sie soweit elektrisch leitend ist, daß elektrostatische Beschichtungs- und Lackierverfahren für die Oberfläche der aufge­ schäumten Beschichtung einsetzbar sind, und/oder, daß Aluminium­ oxid bzw. Pulver aus geeigneten Legierungen, dadurch aufschäumbar sind, daß das Trägermaterial (1) mit einer organischen Beschichtung versehen ist, in die diese Metalle eingebunden sind, die mit thermischen Treibmitteln versehen ist, und die in Verbund mit dem Trägermaterial (1) ein Ausgangsmaterial bildet, das nach den in den vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Verfahren verarbeitet wird.

14. Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) eines Trägermaterials (1) eine Leichtmetallbe­ schichtung ist, die durch die Beifügung thermischer Treibmittel, wie z. B. Titanhydrid für Aluminium, durch Erwärmung aufschäumbar ist, und, daß eine verdichtete äußere Schaumschicht dadurch ausge­ bildet werden kann, daß in einem temperierten Werkzeug aufge­ schäumt wird.