DE102015209763A1 - Hartschaumkern mit einem Multischichtaufbau - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Hartschaumkern mit einem Multischichtaufbau vorgeschlagen, wobei der Multischichtaufbau aus geometrischen Grundkörpern besteht, die in gewünschter räumlicher Zuordnung angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hartschaumkern mit einem Multischichtaufbau.
  • Hartschaumkerne werden in der Regel in der Sandwich-Technologie verwendet, um Bauteile im Leichtbau zu erstellen. Bei derartigen Bauteilen kann es sich um solche handeln, die eine tragende Funktion ausüben, d. h. einer durch Längs- und Quer-Kräfte hervorgerufenen Belastung ausgesetzt sind, oder es kann ein Bauteil sein, das dem Sicht- oder dem Schall- und Wärmeschutz dient und nur geringe Kräfte aufnehmen muss.
  • Üblicherweise ist die kräftemäßige Beanspruchung eines solchen Bauteils örtlich unterschiedlich, so dass im Stand der Technik bei Panel-artigen Bauteilen die stärkste Belastung die Dicke bzw. Festigkeit des Bauteils bestimmt. Dies führt jedoch dazu, dass große Bereiche des Bauteils eine Festigkeit aufweisen, die an diesen Stellen nicht erforderlich ist. Die erhöhte Festigkeit erfordert entweder eine höhere Dicke des Bauteil oder eine Materialwahl, die der Anforderung der stärksten Belastung genügen kann. Hierdurch entstehen nicht unerhebliche Nachteile hinsichtlich eines größeren Platzbedarfs, eines höheren Gewichts und dementsprechend zusätzliche Kosten.
  • Man hat versucht, dieses Problem durch Verstärken der Sandwich-Außenschicht zu lösen. Dies kann jedoch zu einer Störung der örtlichen Oberfläche führen, deren Beseitigung zusätzliche Änderungen in der Bauteilumgebung nach sich ziehen kann.
  • Weitere verwirklichte Möglichkeiten, das Problem des begrenzten Platzes zu lösen, bestehen darin, den Hartschaumkern in Form zu fräsen. Diese nachträgliche Bearbeitung ist jedoch sehr teuer.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hartschaumkern zu schaffen, der bei Erfüllung aller Einsatzerfordernisse eine einfache und kostengünstige Fertigung des Werkstücks ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird durch dadurch gelöst, dass der Multischichtaufbau aus geometrischen Grundkörpern besteht, die in gewünschter räumlicher Zuordnung angeordnet sind. Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit, ohne großen Aufwand verschiedene Dicken an den Stellen eines Bauteil zu realisieren, an denen unterschiedlich hohe oder geringe Belastungen auftreten.
  • Hierbei kann es günstig sein, wenn der Multischichtaufbau eine waagerechte und/oder vertikale und/oder schräg und/oder gekrümmte Schichtorientierung aufweist. Durch eine angepasste Schichtorientierung kann der Sachverhalt ausgenutzt werden, dass bei der Herstellung des Grundmaterials, aus dem die Grundkörper herausgearbeitet werden, bevorzugte Festigkeitsrichtungen entstehen.
  • Von Vorteil ist, dass in dem Multischichtaufbau Schichten unterschiedlicher Dichte angeordnet sind. Durch geeignete Vorauswahl der Grundkörper kann gezielt durch eine höhere Dichte eine Verstärkung an Stellen mit höherer Belastung erzielt werden.
  • In dem Multischichtaufbau sind zumindest zum Teil Schichten aus unterschiedlichem thermoplastischem und/oder duroplastischem Kunststoff-Material angeordnet. Hierdurch kann gezielt die geplante Belastung abgestützt werden, ohne dass es in kritischen Bereichen zu einer Überbeanspruchung kommt und auch eine gewünschte Biegsamkeit/Elastizität eingestellt werden.
  • Vorteilhafter Weise können in dem Multischichtaufbau zumindest zum Teil Schichten aus unterschiedlichem thermoplastischem und oder duroplastischem Kunststoffschaum-Material angeordnet sein, das mit Fasern verstärkt ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Verstärkung erzielt, ohne eine erhöhte Dicke in Kauf nehmen zu müssen, vielmehr ermöglicht eine derartige Ausbildung die Verwendung geringerer Materialstärken.
  • Vorzugsweise sind die verschiedenen Schichten durch Verschweißen ohne zusätzliche Verbindungswerkstoffe mittels Aufschmelzen von Randschichten und/oder Fügen der aneinanderstoßenden Grundkörper unter Druck oder mittels lediglich geeigneter Verbindungswerkstoffe (z. B. Folien, Pulver, auf das Material aufgebrachte Klebstoffe) miteinander verbunden und bilden dann einen Gesamtkörper.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Multischichtaufbau durch Thermoformen und/oder durch Pressen in die gewünschte Gestalt gebracht ist.
  • Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zum Herstellen eines Hartschaumkerns mit einem Multischichtaufbau der oben diskutierten Ausbildung die Schritte
    • i. Bereitstellen der einzelnen Kernelemente;
    • ii. Erhitzen der Kernelemente kurzzeitig über Schmelztemperatur;
    • iii. Aufsetzen der Kernelemente in der gewünschten räumlichen Anordnung aufeinander/nebeneinander;
    • iv. Aufbringen von Druck mittels Pressform, um die Kernelemente an ihren Berührflächen miteinander zu verkleben/verschmelzen,
    durchgeführt.
  • Dabei können die unterschiedlichen Dichten durch lokal unterschiedlich aufgebrachten Druck am gesamten Körper erzeugt werden.
  • Vorzugsweise wird der Hartschaumkern als Kernschicht eines Sandwich-Aufbaus eingesetzt, bei dem zumindest eine der Deckschichten aus einer unverstärkten Kunststofflage, oder einer metallischen Decklage, oder einem faserverstärkten Kunststoff-Laminat besteht.
  • Bei besonderen Anforderungen an die Festigkeit kann das faserverstärkte Laminat zumindest zum Teil aus Kohlenstoff-Fasern bestehen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung dreier quaderförmiger Grundkörper unterschiedlicher Dichten für einen Hartschaumkern,
  • 2 eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Hartschaumkerns mit abgeschrägter Seitenfläche eines Grundkörpers,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Bauteilbeispiels mit laminierter Deckschicht und faserverstärktem Schaum,
  • 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels aus 2.
  • In 1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Anordnung dreier quaderförmiger Grundkörper unterschiedlicher Dichten für einen Hartschaumkern 1. Bei der der Fertigung des Hartschaumkerns wird von dem Prinzip des „tailored Schaum” Gebrauch gemacht. So kann ein tragender flächiger Grundkörper 2, wie angegeben eine Dichte von 51 kg/m3 aufweisen. An besonders beanspruchten Bereichen am Rand des Grundkörpers kann bei einem ersten Verstärkungskörpers 3 die Dichte 70 kg/m3 und diejenige bei einem zweiten Körper 4 die Dichte 110 kg/m3 betragen.
  • Der durch diesen Aufbau definierte Multischichtaufbau kann nicht nur aus wie dargestellt geometrischen Grundkörpern bestehen, deren Herstellung infolge der einfachen Geometrie besonders kostengünstig ist, vielmehr sind auch räumlich gekrümmte Oberflächen möglich, um eine genaue Anpassung an benachbarte Flächen zu erhalten. Die Verbindung der einzelnen Grundkörper, die aus thermoplastischen Hartschäumen bestehen, wird ohne Einbringen von zusätzlichen Verbindungsstoffen z. B. durch Aufschmelzen von Randschichten und Fügen der Partner unter Druck miteinander hergestellt. Dazu stehen dem Fachmann je nach Anforderung an den Hartschaumkern das Fügen durch Thermoformen, Pressverfahren unter Verwendung der Diaphragma-Technologie oder andere geeignete Pressverfahren zur Verfügung.
  • Bei der Anordnung der einzelnen Grundkörper ist es beim Einsatz von PET-Schaum in Abhängigkeit der Verwendung des Bauteils sinnvoll, die bei der Herstellung des Schaumkörpers herrschende Fließrichtung berücksichtigt wird, da bei entsprechender Ausrichtung der Stromlinien die Belastbarkeit des Bauteil im laminierten Endzustand erheblich höher ist als bei einer Ausrichtung, bei der z. B. bei einer tragenden Fläche die zu Flussrichtung senkrecht verlaufende Richtung mit der Querkraft parallel verliefe.
  • Wie in 2 angedeutet, kann an bestimmten Bereichen des Hartschaumkerns 1, wie dargestellt, ein Grundkörper 5' mit räumlich schräg verlaufenden Flächen eingesetzt werden, der, wie in 4 angedeutet, eine zu den übrigen Materialien unterschiedliche Dichte aufweist.
  • In den unterschiedlichen Bereichen können die unterschiedlichen Materialien eine besondere Eignung aufweisen, um eine z. B. an einer bestimmten Stelle bevorzugt auftretende Hitzebelastung abzuschirmen. Eine solche Situation kann bei der Wand zwischen dem Motor und dem Fahrzeuginnenraum auftreten, und zwar dort, wo eine enge Nachbarschaft zu Abgasrohren gegeben ist.
  • Auch kann vorgesehen sein, an besonders kritischen Stellen, an denen höhere Belastungen auftreten, Grundkörper zu verwenden, deren Schaumstruktur mit Fasern, z. B. Glas- oder Carbonfasern, verstärkt ist.
  • Bei manchen örtlichen Gegebenheiten kann eine Grundkörpergestalt aus einer einfachen Geometrie nicht verwendet werden, weil z. B. der benachbarte Karosseriebereich eine Krümmung aufweist. In einem solchen Fall wird der Multischichtaufbau oder das betreffende Grundkörperelement durch Thermoformen und/oder Pressen in die erforderliche Form gebracht.
  • Bei einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen eines Hartschaumkerns mit einem Multischichtaufbau der oben beschriebenen Art werden im Wesentlichen die folgenden Schritte durchgeführt:
    • i. Bereitstellen der einzelnen Kernelemente in der gewünschten räumlichen Ordnung;
    • ii. Erhitzen der Kernelemente kurzzeitig über Schmelztemperatur;
    • iii. Aufsetzen der Kernelemente in der gewünschten Anordnung aufeinander/nebeneinander;
    • iv. Aufbringen von Druck mittels gekühlter Pressform, um die Kernelemente an ihren Berührflächen miteinander zu verkleben/verschmelzen und/oder um einer Oberfläche eine besondere Form zu verleihen.
  • Beim Bereitstellen der einzelnen Kernelemente wird zum Einen sichergestellt, dass die Material-Flussrichtung, die sich bei der Herstellung des Schaum-Materials ergibt, in den einzelnen Grundkörpern, entsprechend der Belastungsrichtung verläuft, also dergestalt, dass bei einem flächigem Grundkörper, auf den Lasten aufgelegt werden, die Flussrichtung und die Belastung senkrecht zueinander stehen.
  • Es können Schablonen verwendet werden, die die einzelnen Grundkörper in freier Position halten.
  • Das Befestigen der einzelnen Kernelemente oder Grundelemente untereinander erfolgt abhängig von der Belastung, die auf das fertige Bauelement einwirkt. Wird die Befestigungsmethode des kurzzeitigen Erhitzens angewandt, so muss die Zeit hinreichend lang sein, damit die aufgeschmolzenen Oberflächen nach dem Aufsetzen aufeinander sicher miteinander verkleben und die Klebung nach dem anschließenden Erkalten einen genügend großen Zusammenhalt aufweist. Das anschließende Handhaben des Hartschaumkerns kann verschiedene Drehungen oder auch einen Umschlag beinhalten, so dass die Klebkraft zwischen den einzelnen Körpern groß genug sein muss, um zu verhindern, dass sich zusammengefügte Elemente voneinander lösen.
  • Bauelemente, die ganz oder Teilweise eine äußere Form aufweisen, die nicht durch regelmäßig geformte Grundkörper erreicht werden kann, werden, wie oben bereits angedeutet, durch das Aufbringen von Wärme und Druck erhalten. Dies kann, wie beschrieben, bereits beim Zusammenfügen der Grundkörper, oder durch einen separaten Arbeitsvorgang oder aber erst beim Aufbringen der Laminat-Schichten geschehen, die in einer Pressform unter Druck und Wärme schnell aushärten.
  • Beim Aufbringen des Drucks können bei dafür vorgesehenen Ausführungsformen und bei entsprechend gewähltem Material die unterschiedlichen Dichten durch lokal unterschiedlich aufgebrachten Druck am gesamten Hartschaumkern erzeugt werden.
  • Der erfindungsgemäße Hartschaumkerns wird als eine Kernschicht eines Sandwich-Aufbaus verwendet, wobei zumindest eine der Deckschichten aus einem faserverstärkten Kunststoff-Laminat besteht.
  • Abhängig von der Belastung, die auf das fertige Bauteil einwirkt, werden in dem faserverstärkte Laminat zumindest zum Teil Kohlenstoff-Fasern verwendet. Es sind aber auch Laminat Deckschichten aus Aluminium oder aus einer dünnen Metallfolie möglich.
  • Mit der Erfindung eröffnet sich dem Fachmann die Möglichkeit, verschiedene Dichten in einem Bauteil zu realisieren, um an den verschiedenen Stellen unterschiedliche Pflichten zu erfüllen, wie z. B. Wandstärkensprünge. Insbesondere ist die Herstellung komplexe Körper aus geometrisch einfachen Grundkörpern einfach zu bewerkstelligen, wobei gegebenenfalls die Grundkörper mit bekannten konventionellen Bearbeitungsverfahren eine gewünschte Form erhalten können. Insgesamt ergeben sich bei der Anwendung der Erfindung erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber den bekannten Ausbildungen.
  • Der erfindungsgemäße Hartschaumkern vielseitig einsetzbar, ein wesentliches Einsatzgebiet liegt bei Bestandteilen eines Bauteils in einer Fahrzeugstruktur.

Claims (13)

  1. Hartschaumkern mit einem Multischichtaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass der Multischichtaufbau aus geometrischen Grundkörpern besteht, die in gewünschter räumlicher Zuordnung angeordnet sind.
  2. Hartschaumkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Multischichtaufbau eine waagerechte und/oder vertikale und/oder schräg und/oder gekrümmte Schichtorientierung aufweist.
  3. Hartschaumkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Multischichtaufbau Schichten unterschiedlicher Dichte angeordnet sind.
  4. Hartschaumkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Multischichtaufbau zumindest zum Teil Schichten aus unterschiedlichem thermoplastischem und oder duroplastischem Kunststoff-Material angeordnet sind.
  5. Hartschaumkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Multischichtaufbau zumindest zum Teil Schichten aus unterschiedlichem thermoplastischem und oder duroplastischem Kunststoff-Material angeordnet sind, deren Schaumstruktur mit Fasern verstärkt ist.
  6. Hartschaumkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Verschweißen ohne zusätzliche Verbindungswerkstoffe mittels Aufschmelzen von Randschichten und/oder Fügen der aneinanderstoßenden Grundkörper unter Druck oder mittels lediglich geeigneter Verbindungswerkstoffe (z. B. Folien, Pulver, auf das Material aufgebrachte Klebstoffe) miteinander verbunden sind und einen Gesamtkörper bilden.
  7. Hartschaumkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Multischichtaufbau durch Thermoformen und/oder durch Pressen in die gewünschte Gestalt gebracht ist.
  8. Verfahren zum Herstellen von Hartschaumkern mit einem Multischichtaufbau nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche gekennzeichnet durch die Schritte i. Bereitstellen der einzelnen Kernelemente; ii. Erhitzen der Kernelemente kurzzeitig über Schmelztemperatur; iii. Aufsetzen der Kernelemente in der gewünschten Anordnung aufeinander/nebeneinander; iv. Aufbringen von Druck mittels Pressform, um die Kernelemente an ihren Berührflächen miteinander zu verkleben/verschmelzen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Dichten durch lokal unterschiedlich aufgebrachten Druck am gesamten Körper erzeugt werden.
  10. Hartschaumkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere eines mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 8 oder 9 hergestellten Hartschaumkerns, dadurch gekennzeichnet, dass er die Kernschicht eines Sandwich-Aufbaus ist.
  11. Hartschaumkern nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Deckschichten aus einer unverstärkten Kunststofflage, oder einer metallischen Decklage, oder einem faserverstärkten Kunststoff-Laminat besteht.
  12. Hartschaumkern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das faserverstärkte Laminat zumindest zum Teil Kohlenstoff-Fasern aufweist.
  13. Hartschaumkern nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Bauteils in einer Fahrzeugstruktur ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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