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Die
Erfindung betrifft ein geformtes schallabsorbierendes Bauteil und
betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
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Derartige
Bauteile werden vorzugsweise in Fahrzeugen, z.B. Motorfahrzeugen,
Bussen oder Lastwagen verwendet, können aber zudem in jedem Bauwerk
verwendet werden. Insbesondere sind diese Bauteile als Unterbodenabdeckungen,
Zylinderkopfabdichtungen, Armaturenbretter usw. zur Verwendung in
Motorfahrzeugen ausgestaltet. Aus der
CH
681 144 ist ein als Akustikbauteil ausgestaltetes Bauteil
bekannt, welches einen Schichtaufbau aufweist, mit einer vibrationsdämpfenden
Schicht, einer darüber
angeordneten schallabsorbierenden Schicht und eine mit der schallabsorbierenden
Schicht verklebten Schutzschicht, welche als eine wasserundurchlässige Folie
ausgestaltet ist. Dieses bekannte Bauteil weist eine relativ harte
Oberfläche
auf, welche einen grossen Anteil der auftreffenden akustischen Energie
reflektiert. Akustische Reflexionen verringern die tatsächliche
Absorptionseffizienz solcher Bauteile. Darüber hinaus ist das Verfahren
zur Herstellung solcher Bauteile komplex und zeitaufwändig. Ein
weiteres schallabsorbierendes Element mit individuellen Hohlkammern
ist aus der
DE 299
08 484U bekannt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein akustisch vorteilhafteres
Bauteil zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Absorptionseffizienz des Absorptionsmaterials in verbesserter
Weise zu nutzen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Formteil aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis
6 betreffen weitere, vorteilhafte Ausführungsformen. Die Aufgabe wird
weiter gelöst mit
einem Verfahren zum Herstellen eines Formteils aufweisend die Merkmale
von Anspruch 7. Die Unteransprüche
8 bis 10 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte.
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Die
Aufgabe wird insbesondere gelöst
mit einem geformten schallabsorbierenden Batueil umfassend eine
Grundstruktur aus faserverstärktem
thermoplastischen Material, eine darüber angeordnete thermoplastische
Folie, eine Vielzahl individueller Absorptionselemente, welche mit
dieser thermoplastischen Folie verbunden sind, sowie eine thermoplastische,
diese Absorptionselemente bedeckende Trennfolie, wobei die thermoplastische
Folie mit der Grundstruktur fest verbunden ist und wobei die Trennfolie
lose auf den Absorptionselementen aufliegt und zwischen den Absorptionselementen lokal mit
der thermoplastischen Folie fest verbunden ist, welche wiederum
fest mit der Grundstruktur verbunden ist.
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Das
erfindungsgemässe
Bauteil weist den Vorteil auf, dass die thermoplastische Trennfolie
lose, d.h. schwimmend auf dem Absorptionsmaterial aufliegt, sodass
der auf die Trennfolie auftreffende Schall, d.h. Schallwellen, sich
relativ ungehindert zu den Absorptionselementen fortpflanzt und
dort absorbiert wird. Im Gegensatz dazu weisen die bekannten Formteile
eine mit dem Absorptionsmaterial verklebte Aussenfolie auf, was
eine akustisch härtere Oberfläche des
Formteils zur Folge hat, sodass ein grösserer Anteil der auftreffenden
Schallenergie reflektiert wird anstelle von absorbiert zu werden.
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Gemäss der Erfindung
sind die Absorptionselemente wasserdicht mit der thermoplastischen
Folie und der Trennfolie umgeben, sodass die Absorptionselemente
innerhalb des Bauteils angeordnet sind und so vollständig vor
Wasser und Staub geschützt sind.
Die Absorptionselemente bestehen vorzugsweise aus einem Schaum,
Filz oder Vlies mit spezifischen schallabsorbierenden Eigenschaften.
Insbesondere ist dieses Material äusserst leicht und weich und
ist selbst-dekomprimierbar kompressibel, vorzugsweise um einen Faktor
10.
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Die
erfindungsgemässe
Aufgabe wird weiter mit einem Herstellverfahren gelöst, insbesondere
mit einem Verfahren zum Herstellen von Formteilen umfassend einen
faserverstärkten
Thermoplast, ein Absorptionsmaterial und eine Trennfolie. Das Verfahren umfasst
die folgenden Schritte:
- – aus dem faserverstärktem Thermoplast
wird mittels Hitze und Druck eine Grundstruktur vorgeformt,
- – eine
Vielzahl vorgeformter Absorptionselemente werden mit einer thermoplastischen
Folie verklebt;
- – die
Trennfolie wird in eine Ausnehmungen aufweisende Formmulde eines
Formwerkzeuges eingelegt, wobei die Ausnehmungen mit einem Vakuum
beaufschlagt werden, wodurch die Trennfolie dem Verlauf der Ausnehmungen
folgt,
- – die
vorgeformten Absorptionselemente werden in die mit der Trennfolie
belegten Ausnehmungen derart eingelegt, dass die thermoplastische
Folie ausserhalb der Ausnehmungen bleibt,
- – die
noch warme Grundstruktur wird über
die thermoplastische Folie angeordnet,
- – das
Formwerkzeug wird geschlossen und Druckluft wird den Ausnehmungen
zugeführt,
sodass die Trennfolie, die Absorptionselemente und die thermoplastische
Folie gegen die Grundstruktur gepresst werden derart, dass die Formgebung der
Grundstruktur, die Verbindung der thermoplastischen Folie mit der
Grundstruktur und die Verbindung der thermoplastischen Folie mit
der Trennfolie an den sich gegenseitig berührenden Stellen in einem Verfahrensschritt
erzielt werden.
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren weist den Vorteil auf, dass zur Herstellung des Bauteils
lediglich wenige einfache Verfahrensschritte erforderlich sind. Insbesondere
erlaubt es das erfindungsgemässe Verfahren,
dass die Formgebung der Grundstruktur, die Verbindung der thermoplastischen
Folie mit der Grundstruktur und die Verbindung der thermoplastischen
Folie mit der Trennfolie an den sich gegenseitig berührenden
Stellen in einem Verfahrensschritt erzielt werden. Ferner erlaubt
dieses Verfahren eine Automatisierung des Herstellprozesses mit
einer kontrollierbar konstanten Qualität. Eine kostengünstige Herstellung
wird durch die Verwendung einer flächigen und ungestalteten vorgeformten
Grundstruktur ermöglicht,
welche ausgestaltet und mit den anderen Teilen in einem spezifischen
Formkörper
und in einem Verfahrensschritt verbunden wird.
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Die
verwendete Grundstruktur ist vorzugsweise aus einer uni- oder multidirektionalen
Thermoplastmatrix hergestellt, welche mit geeigneten Fasern verstärkt ist.
Verwendbar sind alle zur Zeit bekannten Fasertypen, insbesondere
E-Glas, S-Glas, Aramid, Whiskers und C-Fasern. Als Trägermaterial eignen
sich alle thermoplastischen Matrizen wie Polyethersulfon, Polyetherimid,
Polyetherketon, Polyamid, Polythetrafluorethylen, Perfluoralkoxycopolymere
oder thermoplastische Polyimide.
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Mehrere
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
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1a, 1b Verfahrensschritte
zur Herstellung der Grundstruktur;
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2 einen
Verfahrensschritt zum Einsetzen einer Mehrzahl vorgeformter Absorptionselemente
in Kavitäten
eines Formwerkzeugs;
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3a–3d Verfahrensschritte
eines ersten Verfahrens zum Herstellen des ausgestalteten schallabsorbierenden
Bauteils;
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4a–4d Querschnitte
durch unterschiedlich ausgestaltete Bauteile;
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5a–5e Verfahrensschritte
eines zweiten Verfahrens zum Herstellen der schallabsorbierenden
Bauteile;
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6 ein
Verfahrensschritt zum Herstellen eines ausgestalteten Trägerelements.
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Das
Verfahren zum Herstellen des Trägerelements
oder der Grundstruktur 1a ist in 1a und 1b in
einem Schnitt durch ein Formwerkzeug 2 mit einer oberen
und einer unteren heizbaren Pressplatte dargestellt. In 1a ist
ein Halbzeug zwischen den Pressplatten eingesetzt. Die oberen und unteren
Pressplatten sind auf eine der Zusammensetzung des Halbzeuges entsprechend
angepasste Temperatur erwärmt
und, wie in 1b dargestellt, werden unter
Aufwendung der Kraft F zusammengedrückt, sodass eine vorgeformte
Grundstruktur oder Trägerelement 1a unter
der Einwirkung von Druck und Wärme
in einer vorgegebenen Zeit geformt wird.
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In
dem in 2 dargestellten Verfahrensschritt werden die individuell
geformten schallabsorbierende Bauteile mit einer thermoplastischen
Folie 1d verbunden. Die Querschnittansicht gemäss 2 zeigt
eine erste Form 2a und eine zweite Form 2b, welche
beide in einem Presswerkzeug 3 angeordnet sind. Die Temperatur
der Formen 2a, 2b ist angepasst an die Zusammenstellung
des Absorptionsmaterials gewählt,
um die einzelnen Absorptionselemente 1b mit der thermoplastischen
Folie 1d zu verbinden. Als Absorptionsmaterial ist beispielsweise ein
PU-Schaum geeignet. Anstelle von Schaum ist es ebenfalls möglich, andere
akustisch wirksame Materialien wie, beispielsweise, leicht verpresste
Wirrfaservliese zu verwenden.
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In 3a bis 3e zeigen
Schnittdarstellungen durch ein Formwerkzeug innerhalb der Form 31 verschiedene
Stufen eines ersten Verfahrens zum Herstellen des erfindungsgemäss ausgestalteten schallabsorbierenden
Bauteils.
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Die
Form 2b hat Kavitäten 2c,
welche entsprechend der Form der Absorptionselemente 1b in geeigneter
Weise ausgestaltet und angeordnet sind. Eine Öffnung eines Fluid leitenden
Kanalsystems 5 ist im Bodenbereich jeder Kavität 2c angeordnet. Thermisch
isolierende Teile 4 sind in den oberen Bereichen der Oberfläche der
Form 2b angeordnet, insbesondere zwischen den Kavitäten 2c.
Diese isolierenden Teile 4 können beispielsweise aus einem
festen oder verpressten Schaum, aus Holz, Gummi, Fiberglas oder
aus Glasfaserröhren/Hohlglas
bestehen.
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Um
das Bauteil 1 herzustellen, und wie in dem Verfahrensschritt
gemäss 3a dargestellt, wird
eine thermoplastische Trennfolie 1c, auch Trennmembran
genannt, auf die Form 2b aufgelegt; danach wird ein Vakuum 5a an
das Fluid leitende Kanalsystem 5 angelegt, sodass die Trennfolie 1c in
die Kavitäten 2c eingesogen
wird und dabei einen durch die Ausgestaltung der Kavitäten 2c bestimmten Formverlauf
einnimmt. Je nach Zusammensetzung der Trennfolie 1c kann
diese vor dem Einlegen in das Formwerkzeug vorgeheizt sein. Die
erste Form 2a und die zweite Form 2b werden vorzugsweise
auf einer Temperatur von etwa 20°C
gehalten. Die Trennfolie ist beispielsweise aus einer dünnen PVC-Folie.
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Während das
Vakuum 5a bestehen bleibt, werden in einem nächsten Verfahrensschritt – wie in 3b dargestellt – die Absorptionselemente
zusammen mit der thermoplastischen Folie 1d in das Formwerkzeug
eingeführt,
wobei die Anordnung der Absorptionselemente 1b und die
Anordnung der Kavitäten 2c derart
gegenseitig angepasst sind, dass die Absorptionselemente 1b in
die Kavitäten 2c eingeführt werden
können.
Daraufhin, und wie in 3c dargestellt, wird das vom
Umformprozess gemäss 1a, 1b noch
warme vorgeformte Trägerelement 1a,
in das Formwerkzeug 2 eingeführt.
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Daraufhin
folgt der in 3d dargestellte Prozess. Während das
Vakuum 5a noch bestehen bleibt, wird das Formwerkzeug 2 durch
Erzeugung eines Druckes F geschlossen. Während das Formwerkzeug geschlossen
wird, werden die Kavitäten 2c mit
Druckluft durch das Kanalsystem 5 versorgt, was dazu führt, dass
die Trennfolie 1c aus den Kavitäten 2c herausgedrückt wird
und gleichzeitig die Absorptionselemente 1b komprimiert
werden, wie in 3d dargestellt, sodass die thermoplastische
Folie 1d gleichmässig
gegen die Grundstruktur gedrückt
wird. So wird das derart hergestellte Element auf seiner einen Seite
gemäss
der Ausgestaltung der ersten Form 2a gestaltet, wobei die
Dicke D des geformten Trägerelements 1a von
dem durch die zugeführte
Druckluft erzeugten Druck innerhalb des Formwerkzeugs 2 bestimmt
wird. Der Druck der Druckluft 5b wird entsprechend der
Zusammensetzung und des Gewichts des herzustellenden Bauteils 1 bestimmt.
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In
dem Verfahrensschritt gemäss 3d ist die
Temperatur der Formen 2a, 2b auf 20°C geregelt. Dies
bedeutet, dass die Grundstruktur genügend warm ist, um eine feste
Verbindung zwischen der thermoplastischen Folie 1d und
der Trennfolie 1c und dem Trägerelement 1a zu bewirken.
Die in der zweiten Form 2b angeordneten isolierenden Teile 4 dienen
einer Reduktion des Wärmeverlusts,
sodass genügend
Wärme verbleibt,
um eine feste Verbindung zwischen dem Trägerelement 1a und
den Folien 1c, 1d zu bewirken.
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Nach
dem Verfahrensschritt aus 3d, und wie
in 3e dargestellt, wird am Fluid leitenden Kanalsystem 5 Atmosphärendruck
angelegt, das Presswerkzeug 3 wird geöffnet und das fertige Bauteil 1 entnommen.
Die Absorptionselemente 1b kehren selbsttätig zu ihrer
ursprünglichen
Dicke zurück.
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4a zeigt
einen Längsschnitt
durch das gemäss
dem in 1a bis 3e dargestellten
Verfahren hergestellte Bauteil. Die Absorptionselemene 1b haben
ihre ursprüngliche
Dicke wieder eingenommen. Die Trennfolie liegt lose auf den Absorptionselementen 1b.
Die Absorptionselemente 1b sind von einander beabstandet.
Zwischen diesen Teilen ist die Trennfolie 1c fest mit dem
Trägerelement 1a verbunden,
wobei eine feste Verbindung in den Bereichen 1f zwischen
derthermoplastischen Folie 1d (in 4a bis 4d nicht
dargestellt) sowie der thermoplastischen Folie 1c und dem
Trägerelement 1a besteht. Dies
bedeutet, dass die Absorptionselemente 1b wasser- und luftdicht
von der Trennfolie 1c und der thermoplastischen Folie 1d umschlossen
sind. Sofern der Luftdruck in diesem geschlossenen Raum höher ist
als der Atmosphärendruck,
kann sich ein mit Luft gefüllter
Zwischenraum 1e zwischen den Absorptionselementen 1b und
der thermoplastischen Trennfolie 1c bilden, wie auf der
linken Seite in 4a dargestellt. Alternativ,
und wie auf der rechten Seite in 4a dargestellt,
kann die thermoplastische Trennfolie direkt auf dem Absorptionselement aufliegen.
Ferner emöglicht
das erfindungsgemässe Verfahren
ein Trägerelement 1a mit
einer konstanten Dicke. Zudem erlaubt es das erfindungsgemässe Verfahren,
das Trägerelement – ein thermoplastischer
Träger
oder Stützmaterial –, das Absorptionselement
und die thermoplastische Trennfolie in einem Verfahrensschritt mit
einander zu verbinden.
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Es
kann sich als vorteilhaft erweisen, das Trägerelement 1a mit
einer zusätzlichen
Kontur zu versehen. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt
durch ein Formwerkzeug 2 mit einer Kavität 2c in
der ersten Form 2a. Die zweite Form 2b hat eine ebene
Oberfläche
und weist einen Fluid leitenden Kanal und ein Isolator 4 auf.
Beim Schliessen des Formwerkzeugs wird Druckluft in das Fluid leitende Kanalsystem 5 gepressed,
sodass das Trägerelement 1a und
die thermoplastische Trennfolie 1c in die Kavität 2c gepresst
werden und dessen Kontur annehmen, sodass das Bauteil 1 einen
geformten Abschnitt aufweist, wie in 4d dargestellt.
Durch eine geeignete Ausgestaltung des Formwerkzeugs lassen sich
eine Vielzahl solcher Konturen und Anordnungen des Absorptionselements 1b kombinieren,
sodass ein Bauteil 1, wie in 4c im
Schnitt dargestellt, herstellbar ist.
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5a bis 5e zeigen
ein zweites Herstellungsverfahren. Das Trägerelement 1a und
die Absorptionselemente 1b mit der Folie 1d werden,
wie bereits dargestellt und in 1a, 1b und 2 beschrieben,
hergestellt. Die Pressplatte 32 weist keine thermischen
Isolatoren 4 auf. In dem Verfahren gemäss 5a bis 5e wird
die Isolation des Trägerelements 1a durch
eine Luftschicht bewerkstelligt, welche zwischen der Form 2b und
dem Trägerelement 1a gebildet
wird.
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Wie
in 5e dargestellt, weist die Form 2b eine
seitliche Begrenzung 2d auf, welche eine erste Ebene und
Kavitäten 2c zur
Aufnahme der Absorptionselemente 1b definiert, sowie Bereiche,
welche eine zweite Ebene 2e definieren. Die Kavitäten 2c und
die Bereiche 2e sind mit einander durch das Fluid leitende
Kanalsystem 5 verbunden. Im Verfahrensschritt gemäss 5a wird
die Trennfolie 1c in das Formwerkzeug 2 eingebracht
und ein Vakuum 5a an das Kanalsystem 5 angelegt,
sodass die Trennfolie 1c die Kontur der Oberfläche der
Form 2b folgt. In einem Verfahrensschritt gemäss 5b werden
darauf hin die Absorptionselemente 1b zusammen mit der
Folie 1d eingelegt und im Verfahrensschritt gemäss 5c wird
das Trägerelement 1a dazugegeben.
Darauf hin wird das Formwerkzeug geschlossen, wie in 5c dargestellt,
Druckluft an das Kanalsystem 5 angelegt und wird die Trennfolie 1c gegen
die Absorptionselemente 1b und das Trägerelement 1a gepresst.
Dabei bildet sich ein Hohlraum zwischen den Kavitäten 2c und
dem Trägerelement 1a,
was das Trägerelement 1a und
die Trennfolie 1c von der Form 2b thermisch isoliert
und somit einen substantiellen Wärmeabfluss
von dem Trägerelement 1a zur
Form 2b verhindert.
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Im
nächsten
Verfahrensschritt gemäss 5e kann
das fertige geformte Bauteil aus dem Formwerkzeug entnommen werden.