WO2012062389A1 - Sandwichbauteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Tobias Blumenstock
Ralph Greiner
Hubert Bieder
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    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24149—Honeycomb-like

Definitions

  • the invention relates to a sandwich component comprising a cellulose-based honeycomb core and at least one cover layer, and a manufacturing method for the same.
  • sandwich structure In the course of lightweight construction strategy in the automotive industry to reduce both fuel consumption and thus the cost and the carbon dioxide emissions, components with sandwich structure are increasingly used, which is a significantly reduced weight compared to conventional components due to the low density of the material that forms the core, and sufficient Strength values can offer by a suitable cover layer material selection. Further advantages of such sandwich structures are their thermal and acoustic properties.
  • the cover layers of the molded part which are arranged on the open sides of the honeycomb honeycomb chambers, prior to the thermoplastic connection with the honeycomb chambers consist of a single-needlepunched nonwoven material of a nonwoven fabric containing thermoplastic fibers, the other, cotton-like side of the nonwoven material after the hot forming and solidification penetrates into the honeycomb chambers.
  • the disadvantage of the above prior art is the object of the above prior art to provide a sandwich structure with cover layers, which should have a reduced basis weight without affecting the mechanical strength and to protect the honeycomb core impenetrable to moisture. This object is achieved by the sandwich component having the features of claim 1.
  • Another object is to provide a simple and inexpensive manufacturing method for such a sandwich component.
  • a sandwich component designed according to the invention consists of at least one cover layer and a honeycomb core.
  • the topsheet is formed by a cover layer of reinforcing fibers with a thermoplastic matrix, while the honeycomb core is made of a cellulose-based material and has a plurality of webs whose end edges define a plane on which the cover layer abuts.
  • the cover layer between the cover layer and the webs of the honeycomb core comprises a barrier layer of a thermoplastic material.
  • the melting properties of the thermoplastic material of the barrier layer correspond to the melting properties of the thermoplastic matrix material of the cover layer, so that between the cover layer and the barrier layer, an intermediate layer can be formed, comprising the reinforcing fibers of the cover layer and thermoplastic material of the barrier layer.
  • Corresponding melting properties mean in particular melting points, glass points and melt viscosities, which do not differ significantly from one another.
  • the matrix of the intermediate layer is thus by a polymer mixture or a
  • Thermoplastics of the cover layer comprises. Apart from tracks, the barrier layer contains no reinforcing fibers. The traces of reinforcing fibers are fibers which protrude from the intermediate layer into the barrier layer.
  • the reinforcing fibers of the intermediate layer are penetrated by a portion of the thermoplastic material of the cover layer and a portion of the thermoplastic material of the barrier layer.
  • the thermoplastic barrier layer by means of which the intermediate layer is adhesively bonded to the cover layer, on the one hand prevents reinforcing fibers from the cover layer from penetrating into the honeycomb interiors between the webs and thereby reduces the strength-forming fiber content in the cover layer, and on the other hand forms an integrated moisture barrier which protects the cellulose-based honeycomb core from moisture penetration.
  • the honeycomb interiors are thus almost free of exposed, or not bound by thermoplastic reinforcing fibers.
  • the honeycomb interior is therefore free of any traces of
  • the cover layer can be reduced in terms of its basis weight since all existing reinforcement fibers can be used without loss by fibers in the honeycomb cavities in the cover layer.
  • the highly consolidated with the increased thermoplastic fraction intermediate layer also contributes to the strength of the top layer.
  • the thermoplastic material of the barrier layer may be the same thermoplastic material as the thermoplastic matrix material of the cover layer.
  • thermoplastics such as a polyamide, an acrylonitrile-butadiene-styrene, a polypropylene and / or another polyolefin come into question.
  • the cover layer of the sandwich component according to the invention may have a thickness in a range from 0.4 to 0.8 mm, preferably approximately 0.6 mm, while the sum of the thicknesses of the barrier layer and the intermediate layer may be in a range from 0.2 to 0, 4 mm and in particular about 0.3 mm.
  • the sum of the layer thicknesses of the barrier layer and the intermediate layer corresponds to slightly more than the thickness of a film which is used to form these layers.
  • thermoplastic films having a thickness of 0.1 mm to 0.4 mm are preferably used.
  • the web end edges are received in the thermoplastic barrier layer of the cover layer.
  • the end edges of the webs are completely enveloped by the thermoplastic of the barrier layer.
  • the footbridges are in the
  • Thermoplastics of the barrier layer supported. In this way, on the one hand, it is achieved that the cover layer is connected relatively firmly to the webs of the honeycomb core and, on the other hand, that a good sealing of the honeycomb core to the outside is achieved.
  • the bridge is sealed at the edge, so to speak, by the thermoplastic. Only by the edges, or the According to the process flow around the web edges, a very good seal can be done. Since the thermoplastic of the barrier layer is not fiber reinforced, a very dense and imperfect border is achieved. The bridge material and the honeycomb interiors are thereby very effectively protected against the ingress of moisture.
  • honeycomb core is made of paper or cardboard, since these are porous materials in which just about unprotected edges can absorb moisture.
  • the depth of the border of the end edges by the thermoplastic of the barrier layer plays a significant role.
  • the depth of the border is particularly dependent on the relation between the width of the webs (web width) and the thickness of the barrier layer.
  • the thickness of the barrier layer in the region between the honeycomb webs is meant, since the barrier layer thickness in the region of the border naturally decreases.
  • the thickness of the barrier layer is above 30% and below 150% of the ridge width, in particular at 30 to 50%.
  • the width of the webs is preferably in the range of 200 to 600 ⁇ .
  • Particularly preferred honeycomb cores made of paper are used, in which the web width is in the range of 200 to 400 pm.
  • the depth of the border is at least 80% of the web width. Preferred are 100 to 200% of the web width.
  • the depth of the border can vary to the two sides of the web, or over the lateral extent of the web. A depth of the border above the double bridge width usually brings no further advantages.
  • thermoplastic matrix reinforcing fibers used to form the topsheet may be formed by a fiber mat, such as a nonwoven fabric, or a hybrid weave, a hybrid weave or knits, etc.
  • the thermoplastic matrix of the topcoat may also be incorporated in the form of non-consolidated thermoplastic fibers. These are in addition to the reinforcing fibers in the tissue, etc. before.
  • the fibers, both thermoplastic fibers and reinforcing fibers may also be present in bundled form as rovings. Also conceivable is a variant in which reinforcing fibers individually or in bundles of a thermoplastic
  • thermoplastic matrix reinforcing fibers may also be provided by a pre-consolidated thermoplastic sheet having an embedded reinforcing fiber fabric. During the processing process, the thermoplastic fibers melt and form the thermoplastic matrix accordingly.
  • the reinforcing fibers can be natural fibers, glass fibers, carbon fibers or carbon fibers, polymer fibers, in particular aramid fibers or a combination thereof.
  • a method for producing such a sandwich component generally comprises forming the cover layer of the sandwich component, which is arranged on at least one side of the honeycomb core, underside or top side, so that the cover layer comes to rest on the honeycomb core.
  • a thermoplastic film is first deposited on the cellulose-based honeycomb core on the plane, which is spanned by the web end edges of the honeycomb core. The application of adhesives is not required.
  • a semi-finished product is arranged, which consists of reinforcing fibers and thermoplastic matrix.
  • thermoplastic resin matrix and the plastic film which consist of thermoplastic materials having mutually corresponding melting properties, at least partially melt. Due to the molten material of the thermoplastic film, the formation of the barrier layer takes place directly adjacent to the honeycomb core, while the covering layer is formed by the consolidation of the reinforcing fibers with the thermoplastic polymer matrix in a layer of the cover layer remote from the plastic film or barrier layer. Between the cover layer and the barrier layer, the intermediate layer is formed by the consolidation of the reinforcement fibers of the cover layer in a plastic film or barrier layer near a portion of the thermoplastic matrix material of the cover layer and a portion of the thermoplastic material of the barrier layer. This creates a strong consolidated material in the interim layer. made of reinforcing fiber and an increased thermoplastic content, which is composed of the matrix material and the plastic film material.
  • a good bond between honeycomb core and cover layer is achieved by the at least partial melting of the thermoplastic polymer matrix and the plastic film, wherein the web end edges are received at least in the thermoplastic barrier layer of the cover layer.
  • the web end edges are circumscribed during the partial melting of the plastic film of this, so that a border of the end edges is formed with thermoplastic.
  • the barrier layer is not fiber reinforced. This allows the thermoplastic flow unhindered and form a very dense and defect-free border. The end edges are thereby completely sideways and upwards through the dense thermoplastic
  • the depth of the border of the web end edges, or the sinking of the honeycomb core in the thermoplastic film can be controlled, for example, on the pressure of the pressing tool for a given thermoplastic.
  • the heating in the pressing tool is carried out by a temperature in the range of the melting temperature of the thermoplastic material.
  • the temperature of the plastic matrix and the plastic film preferably lies in the range from the glass transition temperature to the melting temperature of the corresponding plastic.
  • the heating temperature of the pressing tool is at least the melting temperature.
  • the honeycomb core can be formed before the cover sheet is formed by first moistening it with water by spraying or steaming.
  • the moistened honeycomb core may then be placed in a punch and die press tool which will exhibit a predetermined shape of the sandwich component and between which compression of the moistened honeycomb core will then take place at a temperature in the range of 40 ° C to 200 ° C.
  • This is followed by the arrangement according to the invention of the plastic film and of the semifinished product, whose simultaneous on or melting and consolidation take place by compression in a correspondingly shaped pressing tool.
  • a sandwich component is thus created in which penetration of fibers into the honeycomb chambers is prevented by the barrier layer, where they no longer have a reinforcing effect. Rather, it is advantageously achieved that all reinforcing fibers present in the cover layer contribute to reinforcement.
  • the thickness of the cover layer can be reduced, wherein the barrier layer, which prevents the penetration into the honeycomb interior, at the same time serves as a wet barrier, and protects the cellulose-based honeycomb core from moisture penetration.
  • 1 is a schematic side sectional view of a connection region of a honeycomb web to the cover layer
  • Fig. 2 is a microscopic comparative image of a connection area without
  • Fig. 3 is a comparative microscopic photograph of a connection region, where a
  • FIG. 4 is a photomicrograph of a connection region of a sandwich component according to the invention, in which a 0.3 mm thick film was used to form the barrier layer.
  • the sandwich component according to the invention which makes it possible to reduce the basis weight or the weight per unit area of the cover layers in order to be able to release the lightweight component potential of the sandwich structures in various components, has a cover layer 2, as schematically outlined in FIG.
  • the cover layer 2 which comes to rest on the end edges of the webs 1 of a honeycomb core, has, as the topmost layer, that is to say furthest away from the web 1, the cover layer 2a made of reinforcing fibers with a thermoplastic matrix.
  • honeycomb is not intended to limit the structure of the honeycomb core, but means a low density, high stiffness structure constructed of ridges Suitable honeycomb core structures include the hexagonal typical "honeycomb” structures as well as wavy, circular, diamond or rectangular fold structures , as well as irregularly designed, "organic” looking structures.
  • cellulose-based material for the honeycomb core paper and paperboard are suitable.
  • the reinforcing fibers for forming the cover layer may be in the form of nonwoven, random or fiber mats with directional fibers, woven, knitted, laid, both unidirectional and multi-directional.
  • a hybrid yarn is conceivable, so that a semi-finished fiber is used which contains thermoplastic fibers which form the matrix, and reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers are natural fibers, glass fibers, carbon or carbon fibers, polymer, in particular aramid fibers, but combinations may also be used
  • the cover layer 2 has, between the cover layer 2a and the webs 1, a barrier layer 2c which consists of a thermoplastic material which is similar in type to the thermoplastic matrix material. According to the invention, however, at least the melting properties of the thermoplastic materials of the cover layer and the barrier layer must correspond to one another.
  • the thermoplastic matrix material and the thermoplastic material of the barrier layer are the same thermoplastic material, which may be, for example, a polyamide, an acrylonitrile-butadiene-styrene, a polypropylene or other polyolefin.
  • the barrier layer 2c on the one hand prevents penetration of reinforcing fibers on the cover layer 2a into the honeycomb interior, which is bounded by the webs 1, so that all reinforcing fibers remain within the cover layer 2 and contribute to the reinforcement layer. effect.
  • the barrier layer 2c additionally has the advantage, as a pure thermoplastic layer, of acting as a moisture barrier and thus of adequate protection for the paper honeycomb core even with a reduced basis weight
  • an intermediate layer 2b is formed, which is formed by a strongly consolidated material of reinforcing fibers from the cover layer 2a both with matrix material of cover layer 2a and with thermoplastic material from the barrier layer 2c to a fiber Consolidated composite material characterized by an increased thermoplastic material content.
  • thermoplastic film is placed on the honeycomb core and on the plastic film of a semifinished fiber product with thermoplastic matrix, which are heated and compressed together in a pressing tool, whereby the reinforcing fibers consolidated in the matrix melt.
  • thermoplastics of the same type are used, preferably the same thermoplastic material.
  • the film used to form the barrier layer 2c must be relatively thick in order to build up a back pressure for the reinforcing fibers from the cover layer 2a. During pressing, the film builds up a counterpressure on the fleece and thus causes a consolidation and a holding together of the fleece.
  • Fig. 3 shows a cover layer 2 on a web 1, in which case only a 0.08 mm thick film between honeycomb core and cover layer was arranged.
  • the thickness of this film was not sufficient to consolidate the reinforcing fibers from the cover layer, it forms no barrier layer, so that even reinforcing fibers 3 can penetrate into the honeycomb spaces.
  • the honeycomb bridge is partially surrounded by the top layer.
  • the border is partially formed by fibrous and porous material and partly by the thermoplastic of the film. The strength of the film has not been sufficient here to ensure a tight border of the edge of the web.
  • the cover layer 2a has approximately a thickness of 0.6 mm, while the two layers, intermediate layer 2b and barrier layer 2c, make up a total of about 0.3 mm, as can be achieved by a 0.3 mm thick film.
  • the basis weight of the cover layers 2 can be reduced without loss of reinforcing properties, while the barrier layer 2c simultaneously constitutes an effective moisture barrier.
  • thermoplastic As material of the honeycomb core paper was used with a web width of about 300 ⁇ . The reproduced in the microscopic picture width of 650 ⁇ results from the fact that the web was cut at an angle in the preparation. The depth of the border with thermoplastic is about 450 ⁇ on the left and about 300 m on the right side. The web edge is thus up to the sides and completely surrounded by thermoplastic. The thermoplastic thus leads to a sealing of the edges against moisture and to a lateral support of the edges in the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Sandwichbauteil mit einer Feuchtigkeitssperre und dessen Herstellungsverfahren bereit. Das Sandwichbauteil umfasst zumindest eine Decklage (2) und einen Wabenkern. Die Decklage (2) umfasst eine Deckschicht (2a) aus Verstärkungsfasern mit einer thermoplastischen Matrix, und der Wabenkern besteht aus einem auf Zellulose basierten Material und weist eine Vielzahl von Stegen (1) auf, wobei die Steg-Endkanten eine Ebene aufspannen, auf denen die Decklage (2) zur Anlage kommt. Dabei umfasst die Decklage (2) zwischen der Deckschicht (2a) und den Stegen (1) des Wabenkerns eine Sperrschicht (2c), die aus einem thermoplastischen Material beschaffen ist, dessen Schmelzeigenschaften den Schmelzeigenschaften entsprechen, die das thermoplastische Matrixmaterial der Deckschicht (2a) aufweist. Ferner ist zwischen der Deckschicht (2a) und der Sperrschicht (2c) eine Zwischenschicht (2b) ausgebildet, die Verstärkungsfasern aus der Deckschicht (2a) und thermoplastisches Material der Sperrschicht (2c) aufweist, wobei die Verstärkungsfasern der Zwischenschicht (2b) von einem Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials der Deckschicht (2a) und von einem Anteil des thermoplastischen Materials der Sperrschicht (2c) durchdrungen sind.

Description

Sandwichbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Sandwichbauteil, das einen auf Zellulose basierten Wabenkern und zumindest eine Deckschicht umfasst, und ein Herstellungsverfahren für dasselbe.
Im Zuge der Leichtbaustrategie im Kraftfahrzeugbau zur Senkung sowohl des Kraftstoffverbrauchs und damit der Kosten als auch der Kohlendioxidemissionen, kommen zunehmend Bauteile mit Sandwichstruktur zum Einsatz, die ein deutlich verringertes Gewicht gegenüber herkömmlichen Bauteilen aufgrund der geringen Dichte des Materials, das den Kern bildet, und ausreichende Festigkeitswerte durch eine geeignete Decklagenma- terialauswahl bieten können. Weitere Vorteile solcher Sandwichstrukturen liegen in ihren thermischen und akustischen Eigenschaften.
Aus der DE 10 2004 015 472 B4 ist ein mehrlagiges Formteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei die Werkstoffe für dieses Formteil sehr leicht, billig und problemlos zu recyclen sowie im Einzelfall unempfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sein sollen. Die Decklagen des Formteils, die an den geöffneten Seiten der Wabenkammern einer Wabenschicht angeordnet sind, bestehen vor der thermoplastischen Verbindung mit den Wabenkammern aus einem nur einseitig vernadelten Vlieswerkstoff nach Art eines Wirrvlieses, das thermoplastische Kunststofffasern enthält, wobei die andere, watteartige Seite des Vlieswerkstoffs nach der Warmumformung und Verfestigung in die Wabenkammern eindringt.
Um das Leichtbaupotenzial einer derartigen Sandwichstruktur in weiteren Bauteilen nutzen zu können, wäre eine Reduktion der flächenbezogene Masse der Deckschichten ohne Verlust der Festigkeitseigenschaften wünschenswert. Nachteilig stellen bislang Deckschichten mit einer verringerten flächenbezogenen Masse keine ausreichende Feuchtigkeitsbarriere mehr dar. So ergibt sich vom obigen Stand der Technik die Aufgabe, eine Sandwichstruktur mit Deckschichten zu schaffen, die eine reduzierte flächenbezogene Masse ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit aufweisen soll und zum Schutz des Wabenkerns undurchdringlich für Feuchtigkeit sein soll. Diese Aufgabe wird durch das Sandwichbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines einfachen und kostengünstigen Herstellungsverfahrens für ein solches Sandwichbauteil.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Weiterbildungen des Bauteils und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Ein erfindungsgemäß ausgeführtes Sandwichbauteil besteht aus zumindest einer Decklage und einem Wabenkern. Die Decklage wird durch eine Deckschicht aus Verstärkungsfasern mit einer thermoplastischen Matrix gebildet, während der Wabenkern aus einem auf Zellulose basierenden Material besteht und eine Vielzahl von Stegen aufweist, deren Endkanten eine Ebene aufspannen, auf denen die Decklage zur Anlage kommt.
In einer ersten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sandwichbauteils umfasst die Decklage zwischen der Deckschicht und den Stegen des Wabenkerns eine Sperrschicht aus einem thermoplastischen Material. Die Schmelzeigenschaften des thermoplastischen Materials der Sperrschicht entsprechen dabei den Schmelzeigenschaften des thermoplastischen Matrixmaterials der Deckschicht, damit zwischen der Deckschicht und der Sperrschicht eine Zwischenschicht ausgebildet werden kann, die Verstärkungsfasern aus der Deckschicht und thermoplastisches Material der Sperrschicht aufweist. Entsprechende Schmelzeigenschaften bedeuten insbesondere Schmelzpunkte, Glaspunkte und Schmelzviskositäten, die nicht wesentlich voneinander abweichen. Die Matrix der Zwischenschicht ist somit durch eine Polymermischung oder auch ein
Polymerblend gebildet, welches den Thermoplasten der Sperrschicht und den
Thermoplasten der Deckschicht umfasst. Abgesehen von Spuren enthält die Sperrschicht keine Verstärkungsfasern. Bei den Spuren an Verstärkungsfasern handelt es sich um Fasern, welche aus der Zwischenschicht in die Sperrschicht hineinragen.
Die Verstärkungsfasern der Zwischenschicht sind dabei von einem Anteil des thermoplastischen Materials der Deckschicht und von einem Anteil des thermoplastischen Materials der Sperrschicht durchdrungen. Die thermoplastische Sperrschicht, mittels der die Zwischenschicht stoffschlüssig mit der Deckschicht verbunden ist, verhindert einerseits, dass Verstärkungsfasern aus der Deckschicht in die Wabeninnenräume zwischen den Stegen eindringen und dadurch den festigkeitsbildenden Faseranteil in der Deckschicht verringern und bildet andererseits eine integrierte Feuchtigkeitsbarriere, die den auf Zellulose basierenden Wabenkern vor eindringender Feuchtigkeit schützt. Die Wabeninnenräume sind somit nahezu frei von frei liegenden, bzw. nicht durch Thermoplast gebundene Verstärkungsfasern. Das Wabeninnere ist somit abgesehen von Spuren frei von
Verstärkungsfasern. Bei den Spuren an Verstärkungsfasern handelt es sich um
vereinzelte Fasern, welche aus der Zwischenschicht in die Sperrschicht hinein und durch sie hindurch ragen.
Durch die Sperrschicht kann also die Deckschicht hinsichtlich ihres Flächengewichts reduziert werden, da alle vorhandenen Verstärkungsfasern ohne Verlust durch Fasern in den Wabenhohlräumen in der Deckschicht genutzt werden können. Die mit dem erhöhten Thermoplastanteil stark konsolidierte Zwischenschicht trägt zusätzlich zu der Festigkeit der Decklage bei.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das thermoplastische Material der Sperrschicht das gleiche thermoplastische Material wie das thermoplastische Matrixmaterial der Deckschicht sein. Hierfür kommen insbesondere Thermoplasten wie ein Polyamid, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ein Polypropylen und/oder ein anderes Polyolefin in Frage.
Die Deckschicht des erfindungsgemäßen Sandwichbauteils kann eine Dicke in einem Bereich von 0,4 bis 0,8 mm, vorzugsweise ca. 0,6 mm aufweisen, während die Summe der Dicken der Sperrschicht und der Zwischenschicht in einem Bereich von 0,2 bis 0,4 mm liegt und insbesondere ca. 0,3 mm beträgt. Die Summe der Schichtdicken der Sperrschicht und der Zwischenschicht entspricht dabei etwas mehr als die Stärke einer Folie, die zur Bildung dieser Schichten verwendet wird. Zur Herstellung der Sperrschicht werden bevorzugt thermoplastische Folien mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,4 mm verwendet.
Es ist von besonderer Bedeutung, dass die Steg-Endkanten in die thermoplastische Sperrschicht der Decklage aufgenommen werden. Die Endkanten der Stege sind dabei vollständig vom Thermoplasten der Sperrschicht umhüllt. Die Stege sind in der
Verbindungszone zur Deckschicht seitlich durch die Sperrschicht, bzw. den
Thermoplasten der Sperrschicht gestützt. Hierdurch wird einerseits erreicht, dass die Decklage mit den Stegen des Wabenkerns relativ fest verbunden sind und andererseits, dass eine gute Abdichtung des Wabenkerns nach außen erreicht wird. Der Steg ist an der Kante quasi durch den Thermoplasten versiegelt. Erst durch das Umranden, bzw. das verfahrensgemäße Umfließen der Stegkanten, kann eine sehr gute Abdichtung erfolgen. Da der Thermoplast der Sperrschicht nicht faserverstärkt ist, wird eine sehr dichte und Fehlstellenfreie Umrandung erreicht. Das Stegmaterial und die Wabeninnenräume werden hierdurch sehr effektiv vor dem Zutritt von Feuchtigkeit geschützt.
Die Abdichtung ist besonders dann von Vorteil, wenn der Wabenkern aus Papier oder Pappe besteht, da es sich hierbei um poröse Werkstoffe handelt, bei welchen gerade über ungeschützte Kanten Feuchtigkeit aufgenommen kann.
Dabei spielt die Tiefe der Umrandung der Endkanten durch den Thermoplasten der Sperrschicht eine nicht unerhebliche Rolle. Die Tiefe der Umrandung ist insbesondere abhängig von der Relation zwischen der Breite der Stege (Stegbreite) und der Dicke der Sperrschicht. Dabei ist die Dicke der Sperrschicht im Bereich zwischen den Wabenstegen gemeint, da die Sperrschichtdicke im Bereich der Umrandung naturgemäß geringer ausfällt. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der Sperrschicht oberhalb 30% und unterhalb 150 % der Stegbreite, insbesondere bei 30 bis 50%. Eine Dicke der
Sperrschicht weit oberhalb der Stegbreite bringt in der Regel keine weiteren Vorteile.
Die Breite der Stege liegt bevorzugt im Bereich von 200 bis 600 μητι. Besonders bevorzugt werden Wabenkerne aus Papier verwendet, bei denen die Stegbreite im Bereich von 200 bis 400 pm liegt.
Bevorzugt liegt die Tiefe der Umrandung, bzw. die Länge mit welcher die Endkante des Stegs des Wabenkerns in die Sperrschicht eindringt bei mindestens 80 % der Stegbreite. Bevorzugt sind 100 bis 200 % der Stegbreite. Die Tiefe der Umrandung kann dabei zu den beiden Seiten des Stegs, bzw. über die seitliche Ausdehnung des Stegs variieren. Eine Tiefe der Umrandung oberhalb der doppelten Stegbreite bringt in der Regel keine weiteren Vorteile.
Durch die seitliche Umrandung der Steg-Endkanten, bzw. das vergleichsweise tiefe Eindringen der Stege in die Decklage ist eine besonders feste Verbindung sichergestellt, da auch Scherkräfte gut aufgenommen werden können.
Die zur Bildung der Decksicht verwendeten Verstärkungsfasern mit thermoplastischer Matrix können durch eine Fasermatte, etwa ein Faservlies, oder ein Hybridgewebe, ein Hybridgeflecht oder -gestricke etc. gebildet werden. Die thermoplastische Matrix der Deckschicht kann auch in der Form nicht-konsolidierter Thermoplastfasern eingebracht werden. Diese liegen neben den Verstärkungsfasern im Gewebe, etc. vor. Die Fasern, sowohl Thermoplastfasern als auch Verstärkungsfasern, können auch in gebündelter Form als Rovings vorliegen. Denkbar ist auch eine Variante, in der Verstärkungsfasern einzeln oder in Bündeln von einer thermoplastischen
Matrixschicht umhüllt sind. Alternativ zu solchen Hybridstrukturen können die Verstärkungsfasern mit der thermoplastischen Matrix auch durch eine vorkonsolidierte Thermoplastplatte mit einem eingebetteten Verstärkungsfasergewebe bereitgestellt werden. Im Laufe des Verarbeitungsprozesses schmelzen die Thermoplastfasern auf und bilden entsprechend die thermoplastische Matrix aus.
Bei den Verstärkungsfasern kann es sich um Naturfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, bzw. Carbonfasern, Polymer-, insbesondere Aramidfasern oder eine Kombination davon handeln.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sandwichbauteils umfasst generell das Bilden der Decklage des Sandwichbauteils, die zumindest an einer Seite des Wabenkerns, Unterseite oder Oberseite, angeordnet wird, so dass die Decklage auf dem Wabenkern zur Anlage kommt. Zur Bildung einer Decklage wird zunächst eine thermoplastische Kunststofffolie auf dem Zellulose basierten Wabenkern auf der Ebene abgelegt, die durch die Steg-Endkanten des Wabenkerns aufgespannt wird. Das Aufbringen von Klebstoffen ist nicht erforderlich. Darüber wird ein Halbzeug angeordnet, das aus Verstärkungsfasern und thermoplastischer Kunststoffmatrix besteht.
Diese Anordnung aus Wabenkern, Kunststofffolie und Halbzeug wird in einem Presswerkzeug erwärmt und komprimiert, so dass die thermoplastische Kunststoffmatrix und die Kunststofffolie, die aus thermoplastischen Materialien bestehen, die einander entsprechende Schmelzeigenschaften aufweisen, zumindest teilweise anschmelzen. Durch das angeschmolzene Material der thermoplastischen Kunststofffolie erfolgt die Bildung der Sperrschicht direkt angrenzend an den Wabenkern, während durch die Konsolidierung der Verstärkungsfasem mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix in einer Kunststofffo- lien beziehungsweise Sperrschicht entfernten Lage der Decklage die Deckschicht gebildet wird. Zwischen der Deckschicht und der Sperrschicht bildet sich die Zwischenschicht durch die Konsolidierung der Verstärkungsfasem der Deckschicht in einer Kunststofffolien beziehungsweise Sperrschicht nahen Lage mit einem Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials der Deckschicht und einem Anteil des thermoplastischen Materials der Sperrschicht aus. So entsteht in der Zwischenschicht ein stark konsolidiertes Material be- stehend aus Verstärkungsfaser und einem erhöhten Thermoplastanteil, der sich aus dem Matrixmaterial und dem Kunststofffolienmaterial zusammensetzt.
Ferner wird durch das zumindest teilweise Anschmelzen der thermoplastischen Kunststoffmatrix und der Kunststofffolie ein guter Verbund zwischen Wabenkern und Decklage erreicht, wobei die Steg-Endkanten zumindest in die thermoplastische Sperrschicht der Decklage aufgenommen werden. Die Steg-Endkanten werden während des teilweisen Anschmelzens der Kunststofffolie von dieser umflossen, so dass eine Umrandung der Endkanten mit Thermoplast entsteht. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass die Sperrschicht nicht faserverstärkt ist. Hierdurch kann der Thermoplast ungehindert fließen und eine sehr dichte und Fehlstellen-freie Umrandung bilden. Die Endkanten werden hierdurch vollständig seitlich und nach oben durch den dichten Thermoplasten
abgeschlossen. Durch die seitliche Umrandung der Steg-Endkanten, bzw. das vergleichsweise tiefe Eindringen der Stege in die Decklage können auch Scherkräfte gut aufgenommen werden.
Die Tiefe der Umrandung der Steg-Endkanten, bzw. das Einsinken des Wabenkerns in die thermoplastische Folie kann bei gegebenem Thermoplasten beispielsweise über den Druck des Presswerkzeug gesteuert werden.
Die Erwärmung im Presswerkzeug wird dabei durch eine Temperaturbeaufschlagung im Bereich der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs durchgeführt.
Bevorzugt liegt die Temperatur von Kunststoffmatrix und Kunststofffolie im Bereich von der Glasübergangstemperatur bis zu der Schmelztemperatur des entsprechenden Kunststoffs. Die Erwärmungstemperatur des Presswerkzeugs beträgt dabei mindestens die Schmelztemperatur.
Um ein geformtes Sandwichbauteil zu erhalten, kann der Wabenkern, bevor die Decklage gebildet wird, geformt werden, indem er zunächst mit Wasser durch Besprühen oder Bedampfen befeuchtet wird. Der befeuchtete Wabenkern kann dann in einem Presswerkzeug mit Stempel und Matrize angeordnet werden, die eine vorbestimmte Form des Sandwichbauteils zeigen, und zwischen denen dann die Umformung des befeuchteten Wabenkerns bei einer Temperatur in einem Bereich von 40 °C bis 200 °C durch Druckausübung stattfindet. Hierauf folgen die erfindungsgemäße Anordnung der Kunststofffolie und des Halbzeugs, deren gleichzeitiges An- beziehungsweise Aufschmelzen und Konsolidierung durch Komprimierung in einem entsprechend geformten Presswerkzeug erfolgen.
Erfindungsgemäß wird somit ein Sandwichbauteil geschaffen, bei dem durch die Sperrschicht ein Eindringen von Fasern in die Wabenkammern verhindert wird, wo sie keinen Verstärkungseffekt mehr haben, vielmehr wird vorteilhaft erreicht, dass alle in der Decklage vorliegenden Verstärkungsfasern zur Verstärkung beitragen. So kann die Dicke der Deckschicht verringert werden, wobei die Sperrschicht, die das Eindringen in den Waben- innenraum verhindert, gleichzeitig als feuchte Barriere dient, und den Zellulose basierten Wabenkern vor eindringender Feuchtigkeit schützt.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht eines Anbindungsbereichs eines Wabenstegs an der Decklage,
Fig. 2 eine mikroskopische Vergleichsaufnahme eines Anbindungsbereichs ohne
Sperrschicht,
Fig. 3 eine mikroskopische Vergleichsaufnahme eines Anbindungsbereichs, wo eine
0,08 mm starke Folie zum Einsatz kam, die keine Sperrschicht ausbildet,
Fig. 4 eine mikroskopische Aufnahme eines Anbindungsbereichs eines erfindungsgemäß ausgeführten Sandwichbauteils, bei dem eine 0,3 mm starke Folie zur Bildung der Sperrschicht verwendet wurde.
Das erfindungsgemäße Sandwichbauteil, das eine Reduzierung der flächenbezogenen Masse, beziehungsweise des Flächengewichtes der Decklagen ermöglicht, um das Leichtbauteilpotenzial der Sandwichstrukturen in verschiedenartigen Bauteilen freisetzen zu können, weist eine Decklage 2 auf, wie sie in Fig. 1 schematisch skizziert ist. Die Decklage 2, die auf den Endkanten der Stege 1 eines Wabenkerns zur Anlage kommt, weist als oberste, das heißt von dem Steg 1 am weitesten entfernt liegende Schicht die Deckschicht 2a aus Verstärkungsfasern mit thermoplastischer Matrix auf.
Die Bezeichnung„Wabe" soll die Struktur des Wabenkerns nicht beschränkend bezeichnen, sondern meint eine aus Stegen aufgebaute Struktur mit geringer Dichte und hoher Steifigkeit. Geeignete Wabenkernstrukturen umfassen die hexagonalen typischen „Bienenwabenstrukturen" genauso wie wellenförmige, kreisförmige, rauten- oder recht- eckförmige Faltstrukturen, sowie unregelmäßig gestaltete,„organisch" anmutende Strukturen.
Als Zellulose basiertes Material für den Wabenkern kommt unter anderem Papier und Karton in Frage.
Die Verstärkungsfasern zur Bildung der Deckschicht können in Form von Vlies, Wirrvlies oder Fasermatten mit gerichteten Fasern, Geweben, Gestricken, Gelegen, sowohl unidi- rektional als auch mehrdirektional vorliegen. Hierbei ist auch die Verwendung eines Hybridgarns denkbar, so dass ein Faserhalbzeug verwendet wird, das thermoplastische Fasern enthält, die die Matrix bilden, sowie Verstärkungsfasern. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich dabei um Naturfasern, Glasfasern, Kohlenstoff- bzw. Carbonfasern, Polymer-, insbesondere Aramidfasern, es können aber auch Kombinationen
verschiedener Fasern verwendet werden.
Die Decklage 2 weist erfindungsgemäß zwischen der Deckschicht 2a und den Stegen 1 eine Sperrschicht 2c auf, die aus einem thermoplastischen Material besteht, das hier artgleich zu dem thermoplastischen Matrixmaterial ist. Erfindungsgemäß müssen jedoch mindestens die Schmelzeigenschaften der thermoplastischen Materialien von Deckschicht und Sperrschicht einander entsprechen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem thermoplastischen Matrixmaterial und dem thermoplastischen Material der Sperrschicht um das gleiche thermoplastische Kunststoffmaterial, das beispielsweise ein Polyamid, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ein Polypropylen oder ein anderes Polyolefin sein kann.
Die Sperrschicht 2c verhindert einerseits ein Eindringen von Verstärkungsfasern auf der Deckschicht 2a in den Wabeninnenraum, der durch die Stege 1 begrenzt wird, so dass sämtliche Verstärkungsfasern innerhalb der Decklage 2 bleiben und zu dem Verstär- kungseffekt beitragen. Da es somit keinen„Verlust" an Verstärkungsfasern mehr gibt, kann das Flächengewicht der Decklage 2 verringert werden. Die Sperrschicht 2c bietet zusätzlich als reine thermoplastische Schicht den Vorteil, als Feuchtigkeitsbarriere zu wirken und somit für den Papierwabenkern auch bei verringertem Flächengewicht einen ausreichenden Schutz gegen Feuchtigkeit zu bieten. Zwischen der Sperrschicht 2c und der Deckschicht 2a ist dabei eine Zwischenschicht 2b ausgebildet, die sich durch ein stark konsolidiertes Material aus Verstärkungsfasern aus der Deckschicht 2a sowohl mit Matrixmaterial aus Deckschicht 2a als auch mit thermoplastischen Material aus der Sperrschicht 2c zu einem Faser-Matrixverbundwerkstoff konsolidiert, der sich durch einen erhöhten thermoplastischen Materialanteil kennzeichnet.
Dieser dreischichtige Aufbau der Decklage 2 kann in einfacher Weise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, bei dem eine thermoplastische Kunststofffolie auf dem Wabenkern und auf der Kunststofffolie eines Faserhalbzeugs mit thermoplastischer Kunststoffmatrix angeordnet wird, die zusammen in einem Presswerkzeug erwärmt und komprimiert werden, wodurch die Verstärkungsfasern in der Matrixschmelze konsolidiert werden. Um ein gleichzeitiges An- beziehungsweise Aufschmelzen der thermoplastischen Kunststofffolie mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix des Halbzeugs zu erhalten, werden artgleiche Thermoplasten verwendet, vorzugsweise das gleiche thermoplastische Material. Die zur Bildung der Sperrschicht 2c verwendete Folie muss dabei relativ dick sein, um einen Gegendruck für die Verstärkungsfasern aus der Deckschicht 2a aufzubauen. Beim Pressen baut die Folie einen Gegendruck auf das Vlies auf und bewirkt so eine Konsolidierung und ein Zusammenhalten des Vlieses.
So zeigt Fig. 3 eine Decklage 2 auf einem Steg 1 , wobei hier nur eine 0,08 mm starke Folie zwischen Wabenkern und Deckschicht angeordnet wurde. Die Stärke dieser Folie war nicht ausreichend die Verstärkungsfasern aus der Deckschicht zu konsolidieren, es bildet sich keine Sperrschicht aus, so dass noch Verstärkungsfasern 3 in die Wabenzwischenräume eindringen können. Der Wabensteg ist teilweise von der Decklage umrandet. Die Umrandung wird dabei teilweise von faserhaltigem und porösem Material und zum Teil durch den Thermoplasten der Folie gebildet. Die Stärke der Folie hat hier nicht ausgereicht, eine dichte Umrandung der Kante des Stegs zu gewährleisten.
Ganz deutlich wird dies aus Fig. 2, in der zum Vergleich der Anbindungsbereich eines Sandwichbauteils ohne Sperrschicht dargestellt ist, bei dem keine Folie verwendet wurde. Deutlich sind hier die in das Wabenkerninnere eindringende Verstärkungsfasern 3 zu sehen, die somit nicht mehr zum Verstärkungseffekt der Decklage 2 beitragen können. Der Steg wird quasi nicht in die Decklage aufgenommen, bzw. es findet quasi keine
Umrandung des Stegs statt. Nach oben wie auch zu den Seiten der Stegkante findet sich kein dichter Abschluss. Vielmehr grenzt die Stegkante an poröses mit Fasern
durchsetztes Material.
Anders das erfindungsgemäße Sandwichbauteil, wie es in Fig. 4 zu sehen ist: Hier dringen keine Verstärkungsfasern in den Wabeninnenraum ein, sondern alle in der Decklage 2 vorliegende Verstärkungsfasern tragen zum Verstärkungseffekt bei. Die Deckschicht 2a weist hier in etwa eine Dicke von 0,6 mm auf während die beiden Schichten, Zwischenschicht 2b und Sperrschicht 2c, in Summe etwa 0,3 mm ausmachen, wie es durch eine 0,3 mm starke Folie erreicht werden kann. So kann das Flächengewicht der Decklagen 2 ohne Verlust der Verstärkungseigenschaften verringert werden, während die Sperrschicht 2c gleichzeitig eine wirksame Feuchtigkeitsbarriere darstellt.
Als Material des Wabenkerns wurde Papier eingesetzt mit einer Stegbreite von ca. 300 μιτι. Die in der mikroskopischen Abbildung wiedergegebene Breite von 650 μιη ergibt sich dadurch, dass der Steg bei der Präparation schräg angeschnitten wurde. Die Tiefe der Umrandung mit Thermoplast liegt bei ca. 450 μιτι auf der linken und ca. 300 m auf der rechten Seite. Die Stegkante ist somit nach oben und zu den Seiten vollständig von Thermoplast umrandet. Der Thermoplast führt somit zu einer Versiegelung der Kanten gegenüber Feuchtigkeit und zu einer seitlichen Stützung der Kanten in der
Verbindungszone.

Claims

Patentansprüche
1. Sandwichbauteil, umfassend zumindest eine Decklage (2), die eine Deckschicht (2a) aus Verstärkungsfasern mit einer thermoplastischen Matrix umfasst, und einen Wabenkern, der aus einem auf Zellulose basierten Material besteht und eine Vielzahl von Stegen (1 ) aufweist, wobei die Steg-Endkanten eine Ebene aufspannen, auf denen die Decklage (2) zur Anlage kommt,
wobei die Decklage (2) zwischen der Deckschicht (2a) und den Stegen (1) des Wabenkerns eine Sperrschicht (2c) umfasst, die aus einem thermoplastischen Material ohne Verstärkungsfasern beschaffen ist, dessen Schmelzeigenschaften den Schmelzeigenschaften entsprechen, die das thermoplastische Matrixmaterial der Deckschicht (2a) aufweist,
und wobei zwischen der Deckschicht (2a) und der Sperrschicht (2c) eine Zwischenschicht (2b) ausgebildet ist, die Verstärkungsfasern aus der Deckschicht (2a) und thermoplastisches Material der Sperrschicht (2c) aufweist, wobei die Verstärkungsfasern der Zwischenschicht (2b) von einem Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials der Deckschicht (2a) und von einem Anteil des thermoplastischen Materials der Sperrschicht (2c) durchdrungen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Endkanten der Stege (1 ) des Wabenkerns von der thermoplastischen
Sperrschicht (2c) umrandet und hierdurch mit der Decklage (2) verbunden sind.
2. Sandwichbauteil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Länge mit welcher die Endkanten des Stege des Wabenkerns in die
Sperrschicht eindringen, bzw. die Tiefe der Umrandung oberhalb 80% der
Stegbreite, insbesondere bei 100 bis 200 % der Stegbreite liegt.
3. Sandwichbauteil nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das thermoplastischen Material der Sperrschicht (2c) und das thermoplastische Ma- trixmaterial der Deckschicht (2a) das gleiche thermoplastische Material sind, das insbesondere ein Polyamid, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ein Polypropylen und/oder ein anderes Polyolefin ist.
Sandwichbauteil nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschicht (2a) eine Dicke in einem Bereich von 0,4 bis 0,8 mm, insbesondere 0,6 mm aufweist, und eine Summe der Dicken der Sperrschicht (2c) und der Zwischenschicht (2b) in einem Bereich von 0,2 bis 0,4 mm liegt und bevorzugt 0,3 mm beträgt.
Sandwichbauteil nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke der Sperrschicht oberhalb 30% und unterhalb 150 %, insbesondere bei 30 bis 50% der Stegbreite liegt.
Sandwichbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstärkungsfasern Naturfasern, Glasfasern, Carbonfasern, Polymer-, insbesondere Aramidfasern oder eine Kombination davon sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Decklage (2) zumindest an einer der Seiten Unterseite des Wabenkerns oder Oberseite des Wabenkerns gebildet wird, und wobei die Steg-Endkanten des Wabenkerns eine Ebene aufspannen, auf denen die Decklage (2) zur Anlage kommt,
umfassend die Schritte:
- Anordnen einer thermoplastischen Kunststofffolie auf dem Wabenkern,
- Anordnen eines Halbzeugs auf der Kunststofffolie, wobei das Halbzeug aus Verstärkungsfasern mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix besteht,
- Erwärmen und Komprimieren der Anordnung aus Wabenkern, Kunststofffolie und Halbzeug in einem Presswerkzeug, dabei zumindest teilweise Anschmelzen der thermoplastischen Kunststoffmatrix und der Kunststofffolie, die aus thermoplastischen Materialien beschaffen sind, die einander entsprechende Schmelzeigenschaften aufweisen, dabei - Bilden der Sperrschicht (2c) durch das Material der thermoplastischen Kunststofffolie,
- Bilden der Deckschicht (2a) durch Konsolidieren der Verstärkungsfasern mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix in einer kunststofffolienfernen Lage der Decklage (2), und
- Bilden der Zwischenschicht (2b) durch Konsolidieren der Verstärkungsfasern der Deckschicht (2a) in einer kunststofffoliennahen Lage mit einem Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials der Deckschicht (2a) und mit einem Anteil des thermoplastischen Materials der Sperrschicht (2c).
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Deckschicht
- ein Faservlies, ein Hybridgewebe, Fasergeflecht oder Fasergestrick aus
Verstärkungsfasern und nicht-konsolidierten Thermoplastfasern
- oder eine vorkonsolidierte Thermoplastplatte mit eingebetteten Verstärkungsfasern bereitgestellt wird
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
umfassend die Schritte:
- Anschmelzen der thermoplastischen Kunststoffmatrix und der Kunststofffolie, und unter Erwärmen durch Beaufschlagung mit einer Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs, insbesondere auf einen Temperaturbereich, der sich von einer Glasübergangstemperatur bis zu der Schmelztemperatur erstreckt, und dabei
- Umfließen Steg-Endkanten durch den thermoplastischen Kunststoff der
Kunststofffolie unter Bildung einer Umrandung der Steg-Endkanten
- Erkalten des der Kunststoffe unter Bildung einer festen Verbindung zwischen der Decklage (2) und den den Stegen (1) des Wabenkerns und Abdichten der Steg- Endkanten durch thermoplastischen Kunststoff.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
umfassend die Schritte:
- dem Wabenkern Formgeben vor dem Anordnen der Kunststofffolie auf demselben, durch Befeuchten des Wabenkerns mit Wasser durch Besprühen oder Be- dampfen, Anordnen des befeuchteten Wabenkerns in einem Presswerkzeug mit einem Stempel und einer Matrize, die eine vorbestimmte Form des Sandwichbauteils bereitstellen, und Umformen des befeuchteten Wabenkerns in dem Presswerkzeug durch Druckausübung und bei einer Temperatur in einem Bereich von 40 °C bis 200 °C.
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