DE102022105108A1

DE102022105108A1 - Leichtbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils

Info

Publication number: DE102022105108A1
Application number: DE102022105108.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Schindlbeck; Falco Hollmann; Willy Dauner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauteil, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, mit mindestens einem Schalenbauteil (10, 10', 12, 12'), das einen ersten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils (1-7) bildet, und mit einem Schaumkern (20, 20A) aus Schaumpartikeln hinterschäumt ist. Der Schaumkern (20, 20A) geht in eine geschlossene Kunststoffhaut (30) aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln über, die einen zweiten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils (1-7) bildet. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils.
Leichtbau ist in der Fahrzeugtechnik eine zunehmende Anforderung an die Bauteile. Bekannt sind z.B. faserverstärkte Kunststoffbauteile, die im RTM- oder Nasspressverfahren oder in Prepreg-Technologie hergestellt werden. Bereits bei der Herstellung sind häufig manuelle Prozessschritte notwendig, wie z.B. das Einlegen der Fasermatten, - oder beim nachträglichen Verkleben der Bauteile - was zu schlechten Toleranzen und hohen Taktzeiten/Durchlaufzeiten führt. Weiterhin sind mehrteilige komplexe Baugruppen bekannt, die z.B. aus mehreren Spritzgussteilen zusammengebaut werden. Für die Herstellung und den Zusammenbau werden viele Werkzeuge benötigt. Mit jedem Fügeschritt erhöht sich das Risiko von Fehlern. Die Toleranzmaßkette ist aufwendig einzuhalten und erzeugt hohe Kosten bei der Herstellung.
Weiterhin sind Sandwichbauteile bekannt, die wie folgt produziert werden: Zuerst werden die Deck-Laminate in einem RTM-, Nasspress- oder Prepreg-Verfahren hergestellt und dann mit einem bereits fertigen Kern zusammengeklebt. Die Kerne können beispielsweise aus Partikelschaum bestehen, wie z.B. expandiertem Polypropylen (EPP). Derartige Kerne können, wie z.B. aus der Druckschrift EP 1155799 A1 bekannt, hergestellt werden, indem eine Kavität eines Presswerkzeugs mit einer Schüttung von vorgeschäumten Partikel gefüllt wird und diese anschließend mit Heißdampf untereinander zu einem Partikelschaum verschweißt werden.
Weiterhin ist unter der Bezeichnung Atecarma ein Verfahren bekannt, bei dem ein Partikelschaumbauteil ohne Heißdampf hergestellt werden kann. Es werden vorbehandelte Schaumpartikel verwendet, die z.B. mit einem Aktivator benetzt und aufgetrocknet sind. Bei der Bauteilherstellung werden die vorbehandelten Schaumpartikel in ein formgebendes Werkzeug gefüllt. Der Aktivator wird thermisch aktiviert und die Oberflächen der Schaumpartikel bauen Haftungseigenschaften auf. Dabei werden sowohl die Schaumpartikel untereinander, als auch optional gleichzeitig Verbundmaterialien und Einleger mit dem Partikelschaumstoff verbunden und das geplante Formteil entsteht.
Mit diesem Verfahren ergibt sich die Möglichkeit, aufgrund der nicht mehr notwendigen Bedampfung, im Presswerkzeug dampfdichte Schalen z.B. kohlenstoffverstärkte Kunststoffe (CFK), Dekorlaminate, Aluminium, etc. einzulegen, welche dann mit den Perlen zu einem Sandwichbauteil verpresst werden.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie Leichtbauteile auf besonders kostengünstige Art und Weise gefertigt werden können. In einem weiteren Aspekt sollen die Leichtbauteile eine hohe Oberflächengüte und gleichzeitig hohe Freiheitsgrade hinsichtlich der Bauteilform ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Leichtbauteil nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Leichtbauteil angegeben mit mindestens einem Schalenbauteil, das einen ersten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils bildet und mit einem Schaumkern aus Schaumpartikeln hinterschäumt ist.
Erfindungsgemäß geht der Schaumkern in eine geschlossene Kunststoffhaut aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln über, die einen zweiten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils bildet. Mit anderen Worten gesagt, werden sowohl der Schaumkern als auch ein Teil der Außenfläche des Leichtbauteils durch Verwendung der Schaumpartikel erzeugt. Während diese zur Erzeugung des Schaumkerns ihre geschäumte Struktur beibehalten und vornehmlich im Randbereich miteinander verklebt sind, liegen sie in der Kunststoffhaut in kollabierter Form vor, d.h. die Partikelstruktur ist durch ein vollständiges Aufschmelzen der Schaumpartikel nicht mehr zu erkennen.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauteils. Zum Leichtbauteil bzw. zum Verfahren beschriebene technische Wirkungen und Vorteile gelten demnach auch jeweils wechselseitig. Das Verfahren weist die Schritte auf:

- Bereitstellen eines temperierbaren Presswerkzeugs mit einer Kavität, welche die Außenform des herzustellenden Leichtbauteils vorgibt,
- Anordnen mindestens eines Schalenbauteils an einem ersten Kavitätswandungsabschnitts des Presswerkzeugs, und

Mit anderen Worten gesagt wird das mindestens eine Schalenbauteil gemeinsam mit Schaumpartikeln in der Kavität des Presswerkzeugs zu dem Leichtbauteil verpresst. Hierzu werden - zusätzlich zu dem mindestens einen Schalenbauteil - die Schaumpartikel in die Kavität des Presswerkzeugs eingebracht. Dies kann z.B. im Crack-Spalt-Verfahren, im Staudruckverfahren oder in einer Kombination beider Verfahren erfolgen. Im geschlossenen Presswerkzeug erfolgt das Verpressen unter Druck und bei erhöhter Temperatur, wobei die Schaumpartikel zu einem Partikelschaum aufschäumen und sich untereinander verbinden.
Zur Erzeugung des zweiten Außenflächenabschnitts werden die Schaumpartikel, welche an die Kavitätswandung angrenzen bzw. benachbart zu dieser sind, soweit aufgeschmolzen, dass sie kollabieren und zu der geschlossenen Kunststoffhaut verschmelzen. Die resultierende Kunststoffhaut weist eine durchgehend geschlossene Oberfläche auf. Die geschlossene Oberfläche kann eine gewisse Struktur oder Unruhe aufweisen. Insbesondere keine geschlossene Oberfläche stellt hingegen im Rahmen dieser Anmeldung eine reiswaffelartige Oberfläche dar, bei der die Form der einzelnen Schaumpartikel noch erkennbar ist, oder eine von Poren durchsetzte Oberfläche. Die Dicke der Kunststoffhaut liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 2 mm. Vorzugsweise weist die Kunststoffhaut eine Härte größer als 90 Shore A oder größer als 45 Shore D auf. Die Kunststoffhaut, insbesondere, wenn sie eine derartige Dicke und Härte aufweist, erfüllt insbesondere Anforderungen, die typischerweise an eine Sichtfläche bzw. Außenhaut eines Kraftfahrzeugbauteils gestellt werden. Indem aus den Schaumpartikeln sowohl der Schaumkern als auch ein Außenflächenabschnitt gebildet wird, können weitere Schalenbauteile eingespart oder in ihrer Form vereinfacht werden. Die notwendige Teilezahl kann reduziert werden, was die Herstellung des Leichtbauteils schneller und kostengünstiger macht. Zudem wird die Toleranzmaßkette verbessert. Der durch die aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumperlen gebildete Außenflächenabschnitt ist aufgrund seiner geschlossenen Oberfläche zudem lackierfähig, wodurch aufwendige Nacharbeitsprozesse entfallen können.
Die verfahrenstechnische Umsetzung des Aufschmelzens der Schaumpartikel kann ähnlich dem in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 10 2020 110 665.3 beschriebenen Verfahren erfolgen. Vorzugsweise wird ein Presswerkzeug mit mindestens zwei oder mehr unabhängig voneinander temperierbaren Temperierzonen verwendet. Die Temperierung des Werkzeugs, insbesondere die Maximaltemperatur und der Verlauf der Temperierung, werden in den einzelnen Temperierzonen so gewählt, dass lokal der gewünschte Aufschmelzgrad der Schaumpartikel erzielt wird.
Die Schaumpartikel liegen vor der Verarbeitung vorzugsweise als Schüttgut in z.B. kugeliger oder perlenartiger Form vor. Herkömmliche Schaumpartikel werden mittels Heißdampf zu einem Partikelschaum verschweißt. Der Heißdampf bewirkt dabei eine oberflächliche Erwärmung der Schaumpartikel bis über den Erweichungsbereich der Schaumpartikel hinaus, wodurch diese aneinander haften.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei den Schaumpartikeln um Schaumpartikel, die zur dampffreien Verarbeitung geeignet sind und in einem dampffreien Verfahren zum Schaumkern aufgeschäumt bzw. verarbeitet werden. Für die dampffreie Verarbeitung geeignete Schaumpartikel sind nach einem Vorbehandlungsverfahren, das z.B. eine Benetzung der Schaumpartikel mit einem Aktivator oder Klebstoff beinhalten kann, ohne Dampf-Temperierung verarbeitbar. Vielmehr kann der Aktivator durch indirekte Temperierung des Presswerkzeugs aktiviert werden, wodurch die Schaumpartikel untereinander und mit angrenzenden Einlegeteilen verbunden werden. Für die dampffreie Verarbeitung können die Schaumpartikel vorzugsweise aus EPP (expandiertem Polypropylen) ausgebildet sein und einem entsprechenden Vorbehandlungsverfahren, z.B. einer Benetzung mit einem Aktivator oder Klebstoff, unterzogen sein. Da keine Dampfzugabe erforderlich ist, können damit Bauteile hergestellt werden, die zu allen Seiten eine geschlossene Außenfläche aufweisen. Dadurch werden Nacharbeitsschritte reduziert und z.B. eine nachfolgende Lackierung erleichtert.
Zur Erhöhung der Crash- und Steifigkeitsperformance des Leichtbauteils können in einer Ausgestaltung auch faserverstärkte Hybridschaumpartikel eingesetzt werden, indem z.B. Schaumpartikel aus EPP mit beigemengtem Verstärkungsmaterial verwendet werden, wie beispielsweise CFK Recylat Thermoplast, PPGF Beats, PA GF, CFK EP Recyclat, etc. Vorzugsweise werden die Hybridschaumpartikel in Kombination mit unverstärkten Schaumpartikeln, z.B. EPP-Schaumpartikeln, verwendet, wobei die Hybridschaumpartikel zur Erzeugung des Schaumkerns eingesetzt werden und die unverstärkten Schaumpartikel z.B. an der Kavitätswandung zur Herstellung des Außenflächenabschnitts angeordnet werden.
Das mindestens eine Schalenbauteil ist vorzugsweise eine dreidimensional geformte Schale, die im Wesentlichen bereits einen Teil der Oberflächenform des Leichtbauteils abbildet. Das Schalenbauteil wird durch das beschriebene Verfahren nicht mehr umgeformt, sondern lediglich mit dem Schaumkern hinterfüllt und verbunden. Das Schalenbauteil kann z.B. als Blechformteil oder Kunststoffbauteil - mit oder ohne Faserverstärkung - ausgebildet sein. Wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil als Schalenbauteil verwendet, so kann es sich beispielsweise um Faserverstärkungen aus Kohlenstoff-, Glasfasern oder Aramidfasern handeln, die in ein duromeres oder thermoplastisches Matrixmaterial eingebunden sind.
In einer Ausgestaltung ist das Schalenbauteil als thermoplastisches Kunststoffteil ausgebildet. Ein derartiges Schalenbauteil kann beispielsweise durch Thermoformen einer Kunststofffolie oder im Spritzgussprozess hergestellt werden. Eine derartige Herstellung ist besonders kostengünstig, so dass Kosteneinsparungen erreicht werden können. Ist das Schalenbauteil als Spritzgussteil ausgebildet, so kann es separat hergestellt und anschließend in das Presswerkzeug eingelegt werden. Eine weitere Prozessoptimierung, insbesondere hinsichtlich Fertigungszeit und Platzbedarf, kann in einer Ausgestaltung dadurch erzielt werden, dass das Schalenbauteil an die Kavitätswandung spritzgegossen wird und anschließend in der Werkzeughälfte verbleibend mit den Schaumpartikeln hinterschäumt wird. Dies kann z.B. unter Verwendung eines Wendewerkzeugs erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schalenbauteil als duromeres Kunststoffteil ausgebildet, vorzugsweise mit einer Faserverstärkung in der Kunststoffmatrix. Ein derartiges Schalenbauteil kann eine hohe Steifigkeit aufweisen und damit die Crasheigenschaften des Leichtbauteils verbessern. Das (faserverstärkte) duromere Kunststoffbauteil kann beispielsweise im RTM-Verfahren (resin transfer moulding), durch Nasspressen oder Verarbeitung von Prepreg-Materialien hergestellt werden und anschließend in das Presswerkzeug eingelegt werden. Das duromere Matrixmaterial im Schalenbauteil kann bereits vollständig ausgehärtet sein oder teilausgehärtet, so dass die finale Aushärtung z.B. im Presswerkzeug stattfinden kann.
In einer Ausgestaltung weist das Leichtbauteil mindestens ein weiteres Schalenbauteil auf, das einen weiteren Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils bildet, wobei das weitere Schalenbauteil ebenfalls mit dem Schaumkern hinterschäumt ist. In dieser Ausgestaltung sind folglich zwei oder mehr Schalenbauteile um den Schaumkern angeordnet und mit diesem verklebt. Zur Erzeugung dieses Leichtbauteils wird das mindestens eine weitere Schalenbauteil an einem weiteren Kavitätswandungsabschnitt des Presswerkzeugs angeordnet und gleichzeitig mit dem ersten Schalenbauteil mit den Schaumpartikel hinterschäumt. Das weitere Schalenbauteil oder die weiteren Schalenbauteile kann/können z.B. - wie voranstehend zum ersten Schalenbauteil beschrieben - als vorgefertigtes Schalenbauteil in das Presswerkzeug eingelegt oder durch Spritzgießen direkt an der Kavitätswandung des Presswerkzeugs erzeugt werden.
Ein derartiges Leichtbauteil umfassend zwei oder mehr durch den Schaumkern miteinander verbundenen Schalenbauteilen ermöglicht es, unterschiedliche Schalenbauteile, z.B. ein besonders steifes faserverstärktes RTM-Kunststoffbauteil mit einer besonders leichten und filigranen Spritzgussschale zu kombinieren, wodurch die gestalterischen Möglichkeiten zu kostengünstigem Leichtbau vergrößert werden. Zudem bietet der durch die kollabierten Schaumperlen gebildete Außenflächenabschnitt eine Möglichkeit die Schalen optisch ohne Übergang zu fügen. Beispielsweise können die Rändern der Schalenbauteile beabstandet sein und die Fuge kann durch die Schaumperlen aufgefüllt werden. Indem die kollabierten Schaumperlen zur Außenfläche hin eine Kunststoffhaut bilden, können die Ränder der Schalenbauteile übergangsfrei durch die Kunststoffhaut verbunden werden. So kann werkzeugfallend und ohne aufwendige Vorbereitung der Schalenbauteile eine hervorragende Oberflächenqualität des Leichtbauteils erzielt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Leichtbauteil mindestens zwei Schalenbauteile auf und die Schaumpartikel sind in einem lokal begrenzten Bereich zwischen den beiden Schalenbauteilen vollständig aufgeschmolzen und kollabiert und bilden eine die Schalenbauteile in diesem Bereich miteinander verklebende schaumfreie Kunststoffschicht. Mit anderen Worten gesagt, bildet das Material der Schaumpartikel im Leichtbauteil nicht nur den Schaumkern und einen Außenflächenabschnitt, sondern bildet in dem lokalen Bereich auch zusätzlich eine schaumfreie Klebeschicht, welche die beiden Schalenbauteile miteinander verklebt. Der lokale Bereich kann z.B. ein Flanschbereich des Leichtbauteils sein oder ein anderer Bereich, in dem die Bauteilhöhe im Wesentlichen der Dicke der beiden Schalenbauteile entspricht. Diese Ausgestaltung hat einen weiteren Kostenvorteil, da auf einen separaten Klebstoff verzichtet werden kann. Zudem wird das Verfahren vereinfacht, da das Verkleben der Schalenbauteile und das Hinterschäumen gemeinsam in einem Verfahrensschritt erfolgen können. Bei einer entsprechenden Verfahrensführung wird das Presswerkzeug in einem lokalen Bereich des ersten und/oder des weiteren Kavitätswandungsabschnitts derart temperiert, dass benachbart zu dem lokalen Bereich zwischen den Schalenbauteilen befindliche Schaumpartikel vollständig aufschmelzen und kollabieren und eine lokal begrenzte, die Schalenbauteile miteinander verklebende schaumfreie Kunststoffschicht ausbilden.
Das weitere oder zweite Schalenbauteil kann ein Schalenbauteil sein, wie es bereits voranstehend beschrieben wurde. Die zwei (oder auch mehr als zwei) Schalenbauteile können baugleich oder unterschiedlich sein. Insbesondere können Ausgestaltungen jede erdenkliche und technisch realisierbare Kombination von Schalenbauteilen in dem Leichtbauteil aufweisen und dabei spezifische Vorteile, wie z.B. geringes Gewicht und hohe Steifigkeit erzielen. Rein beispielhaft ist die Kombination eines Spritzgussbauteils ohne Faserverstärkung mit einem RTM-Bauteil mit Faserverstärkung genannt oder ein RTM-Bauteil mit einem durch Nasspressen hergestellten Bauteil.
Eine zusätzliche werkzeugfallende Funktionsintegration kann in einer Ausgestaltung erzielt werden, in der das Leichtbauteil weiterhin einen Funktionseinleger aufweist, der mit dem Schaumkern verklebt ist. Bei einer entsprechenden Verfahrensführung wird der Funktionseinleger in der Kavität des Presswerkzeugs angeordnet und mit hinterschäumt, wodurch er nach dem Aufschäumen mit den Schaumpartikeln bzw. dem Schaumkern verklebt ist. Als Funktionseinleger wird hierbei ein Bauteil bezeichnet, das im Leichtbauteil eine zusätzliche, über die eigentliche Bauteilfunktion hinausgehende Funktion bereitstellt, wie z.B. ein Lichtleiter, ein Anbindungselement zur Montage des Leichtbauteils am Fahrzeug oder an einem weiteren Bauteil, ein Elektronikelement etc.
Die durch die aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikel gebildete Kunststoffhaut kann in einer Ausgestaltung zumindest abschnittsweise eine texturierte Oberfläche aufweisen. Die texturierte Oberfläche kann z.B. eine Narbung oder eine geometrische Struktur, wie z.B. ein Rauten-, Kachel-, Pyramiden- oder Dellenmuster sein. Die Erzeugung der texturierten Oberfläche erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Laserstrukturierung und/oder werkzeugfallend im Presswerkzeug. Hierzu ist z.B. der Kavitätswandungsabschnitt, an den die Schaumpartikel angrenzen, mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur versehen, die zur Erzeugung der texturierten Oberfläche des Leichtbauteils dient. Das Kunststoffmaterial der kollabierten Schaumperlen erstarrt entlang des Kavitätswandungsabschnitts und übernimmt die Oberflächenstruktur. Derart können nachträgliche Schritte zur Strukturierung der Oberfläche entfallen, das Verfahren vereinfacht und die Kosten reduziert werden. Zudem wird die Robustheit auf Fehlerbilder gegen Kratzer und Umwelteinflüsse erhöht.
Das voranstehend beschriebene Leichtbauteil kann in der äußeren Erscheinung wie ein herkömmliches Schalenbauteil geformt sein, bei dem der Schaumkern lediglich die Funktion einer Zwischenstruktur zwischen den Schalen übernimmt. Jedoch bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, den Schaumkern als gestalterisches und designtechnisches Element auszugestalten. Dies wird möglich, da der Schaumkern randseitig verhautet wird, und dort einen eigenen Oberflächenabschnitt des Leichtbauteils bildet. Dementsprechend kann der Schaumkern mit der Kunststoffhaut in einer Ausgestaltung einen Formkörper mit komplex geformter Oberfläche bilden. Unter komplex geformter Oberfläche ist dabei insbesondere eine Oberfläche zu verstehen, die Rippen- oder Wellenstrukturen und/oder einen räumlich abgesetzten Schriftzug aufweist.
Bei dem Leichtbauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere um ein Außenhautbauteil eines Kraftfahrzeugs. Außenhautbauteile bilden die primären Sichtflächen eines Fahrzeugs, also z.B. Türen, Klappen, Dach, Kotflügel, Seitenteil oder Anbauteile wie Spoiler.
Das voranstehend beschriebene Leichtbauteil kann nachfolgend weiterhin mit einer Klarlackschicht versehen werden, die zumindest auf Teilen der Außenfläche oder der gesamten Außenfläche des Leichtbauteils aufgebracht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Leichtbauteil mit einer In Mould Coating-Schicht (IMC-Schicht) versehen ist. Die IMC-Schicht ist zumindest auf Teilen der Außenfläche angeordnet, vorzugsweise im Bereich des zweiten Außenflächenabschnitts. Die Schichtstärke der IMC-Schicht beträgt bevorzugt zwischen 1 - 5/10 mm. Zur Erzeugung der IMC-Schicht wird ein IMC-Material auf einen Kavitätswandungsabschnitt, vorzugsweise den zweiten Kavitätswandungsabschnitt, aufgebracht. Beispielsweise wird ein IMC-Material auf Basis von PES oder Epoxy in die Kavität des Formwerkzeug gesprüht. Das Werkzeug schließt und es werden die Schaumpartikel zu der bereits verhauteten IMC-Schicht in die Kavität des Formwerkzeugs gefüllt. Die Schaumpartikel expandieren durch das in den EPP Beats enthaltene Treibmittel in einem dampffreien heißen Werkzeug. Das EPP bildet eine extrem leichte Füllung, es wird in wenigen Minuten ein lackierfähiges (durch die Verbindung EPP + Aktivator+ IMC) Bauteil erzeugt. Die Kosten sind minimal, der Prozess ist beliebig skalierbar. EPP hat einen um ca. 30 % reduzierten CO2 Footprint gegenüber ABS. Es entsteht in wenigen Minuten ein fast nacharbeitsfreies lackierfähiges Bauteil.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1 bis 8 beispielhafte Leichtbauteile in einer Schnittansicht,
9 bis 13 Presswerkzeug während der Bauteilherstellung zur Veranschaulichung beispielhafter Verfahrensvarianten.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und werden nicht für jede Figur erneut beschrieben. Zu einem bestimmten Bezugszeichen gemachte Aussagen gelten somit auch für dasselbe Bezugszeichen in anderen Figuren.
In den 1 bis 8 sind beispielhafte Leichtbauteile in Form eines Spoilers bzw. Gurneys gezeigt. Den Leichtbauteilen 1 bis 8 ist gemeinsam, dass sie mindestens ein Schalenbauteil 10, 12, 14, 16 aufweisen, das mit einem Schaumkern 20 bzw. 20A aus EPP-Schaumpartikeln hinterschäumt ist. Im Schaumkern 20, 20A sind die Schaumpartikel nur oberflächlich angeschmolzen und miteinander zu dem Schaumkern 20, 20A verbunden. Während des Schäumprozesses verbinden sich benachbarte Schaumpartikel auch mit dem Schalenbauteil 10, 12, 14, 16. Das Schalenbauteil 10, 12, 14, 16 bildet einen ersten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils 1 bis 8. Ein zweiter Außenflächenabschnitt wird durch eine geschlossene Kunststoffhaut 30 aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln gebildet. Hierzu werden die an die Kavitätswandung angrenzenden Schaumpartikel so stark erwärmt, dass sie vollständig aufschmelzen, ihre Partikelform verlieren und „verhauten“. Optional kann der Kavitätswandungsabschnitt auch mit einer Oberflächenstruktur versehen sein, welche sich während des Verfahrens auf die Kunststoffhaut 30 überträgt, so dass eine Kunststoffhaut 30' mit strukturierter Oberfläche entsteht. Schaumkern 20 bzw. 20A und Kunststoffhaut 30 bzw. 30' gehen ineinander über. Die Leichtbauteile 1 bis 7 sind weiterhin mit einer Klarlackschicht 40 versehen, die zumindest auf Teilen der Außenfläche ausgebildet ist. Diese Klarlackschicht ist optional.
Bei dem Leichtbauteil 1 in 1 ist das Schalenbauteil 10 eine Außenschale und bildet die Sichtfläche des Leichtbauteils 1. Die Außenschale 10 ist vorzugsweise aus einem Prepreg-Material, durch Spritzguß oder durch Thermoformen gebildet. Die Klarlackschicht 40 ist auf der Außenschale 10 angeordnet. Die Bodenfläche des Leichtbauteils 1 wird durch die Kunststoffhaut 30 aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln gebildet.
In dem Leichtbauteil 2 aus 2 sind anstelle einer Außenschale zwei Schalenbauteile - eine Oberschale 12 und eine Hinterschale 14 verwendet worden, die beide mit dem Schaumkern 20 hinterschäumt sind. Die Oberschale ist vorzugsweise aus einem Prepreg-Material, durch Nasspressen oder im RTM-Verfahren ausgebildet. Die Hinterschale 14 ist vorzugsweise als Spritzgussbauteil oder durch Thermoformen ausgebildet. Die Klarlackschicht 40 ist sowohl auf der Oberschale 12 als auch auf der Hinterschale 14 ausgebildet.
In 3 ist in dem Leichtbauteil 3 zusätzlich zu einer Oberschale 12 und einer Hinterschale 14 weiterhin ein Funktionseinleger 50, z.B. in Form eines Anbindungselements oder eines Lichtelements, mit dem Schaumkern 20 hinterschäumt worden. Die Klarlackschicht 40 erstreckt sich über Oberschale 12, Hinterschale 14 und Funktionseinleger 50.
Bei dem Leichtbauteil 4 in 4 wurde im Vergleich zu Leichtbauteil 2 aus 2 auf die Hinterschale 14 verzichtet. Der entsprechende Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils 4 wird hier auch durch die Kunststoffhaut 30 aus verhautetem EPP gebildet, die sich zudem über die Bodenfläche des Leichtbauteils 4 erstreckt. Die Klarlackschicht 40 erstreckt sich über die Sichtfläche des Leichtbauteils 4, welche durch die Oberschale 12 und den in 4 nach links weisenden Teil der geschlossenen Kunststoffhaut 30 gebildet wird.
5 zeigt ein weiteres Leichtbauteil 5, bei dem der Bereich 30' der Kunststoffhaut 30, der die Hinterschale aus 2 ersetzt, dicker ausgebildet und zusätzlich mit einer texturierten Oberfläche, z.B. mit einem Rautenmuster o.ä. versehen wurde. Die Klarlackschicht 40 ist in dieser Ausführungsform lediglich auf der Oberschale 12 ausgebildet.
Das Leichtbauteil 6 in 6 weist zwei Schalenbauteile in Form der Oberschale 12 sowie einer Unterschale 16 auf. Die Unterschale 16 ist vorzugsweise aus einem Prepreg-Material, durch Nasspressen oder im RTM-Verfahren hergestellt. Die Kunststoffhaut 30 aus geschmolzenen EEP-Schaumpartikeln bildet in dieser Ausgestaltung eine hintere Außenfläche des Leichtbauteils 6. Die Klarlackschicht 40 ist auf der Oberschale 12 und auf der Kunststoffhaut 30 ausgebildet.
Das in 7 gezeigte Leichtbauteil 7 unterscheidet sich von dem Leichtbauteil 6 dadurch, dass in einem Flanschbereich FL zwischen der Oberschale 12 und der Unterschale 16 eine schaumfreie Kunststoffschicht 32 aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln angeordnet ist und als Klebstoffschicht die beiden Schalenbauteile 12, 16 miteinander verklebt. Dies wird erreicht, indem beim Verpressen der Schalenbauteile 12, 16 und der Schaumpartikel im Presswerkzeug der an den Flanschbereich angrenzende Werkzeugbereich stärker erwärmt wird, so dass eine vollständige Aufschmelzung der Schaumpartikel erfolgt. Unter dem Druck des Presswerkzeugs kollabieren die Schaumpartikel und es verbleibt lediglich die dünne Kunststoffschicht 32.
8 zeigt ein weiteres Leichtbauteil 8 in Form eines Gurneys, der an einer Heckklappe 9 eines Kraftfahrzeugs montiert ist. Neben dem Schalenbauteil 10 weist das Leichtbauteil 8 einen Schaumkern 20A auf, der als Formkörper mit komplex geformter Oberfläche ausgebildet ist. Die komplex geformte Oberfläche wird durch die Kunststoffhaut 30 des Schaumkerns 20A gebildet. Der Schaumkern 20A ist hier beispielhaft ein Formkörper mit 5 Rippen. Alternative Ausgestaltungen, bei denen der Formkörper z.B. ein Wellenmuster oder Schriftzüge aufweist, sind ebenfalls denkbar. Das Leichtbauteil 8 kann ebenso weitere Schalenbauteile, Funktionseinleger oder eine Klarlackschicht aufweisen, wie sie zu den 1 bis 7 beschrieben wurde.
Die in den 1 bis 8 beschriebenen Leichtbauteile 1-8 können alternativ oder ergänzend eine nicht dargestellte EMC-Schicht aufweisen, die auf Abschnitten der Außenhaut oder auf der gesamten Außenhaut ausgebildet sein kann. Die IMC Schicht hat vorzugsweise eine Schichtstärke zwischen 1 bis 5/10 mm und kann beispielsweise aus einem EMC-Material auf Basis von PES oder Epoxy gebildet sein.
Die 9 bis 13 zeigen temperierbare Presswerkzeuge 100 während der Herstellung des Leichtbauteils zur Erläuterung beispielhafter Verfahren. Allen gezeigten Verfahrensvarianten ist gemeinsam, dass zunächst mindestens ein Schalenbauteil 10, 12, 14, 16 an einem ersten Kavitätswandungsabschnitts des Presswerkzeugs angeordnet wird. Das mindestens eine Schalenbauteil 10, 12, 14, 16 wird in dem Presswerkzeug zur Erzeugung eines Schaumkerns 20 mit EPP-Schaumpartikeln - vorzugsweise dampffrei - hinterschäumt. Ein zweiter Kavitätswandungsabschnitt, an den die Schaumpartikel angrenzen, wird dabei derart temperiert, dass die an die Kavitätswandung angrenzenden Schaumpartikel aufschmelzen und kollabieren und die Kunststoffhaut 30 ausbilden. Alternativ zu den in den 9 bis 13 gezeigten Ausführungsformen kann der zweite Kavitätswandungsabschnitt auch mit einer Oberflächenstruktur versehen sein, so dass anstelle der Kunststoffhaut 30 eine Kunststoffhaut 30'mit strukturierter Oberfläche entsteht.
Bei dem in 9 gezeigten Verfahren wird zunächst eine Außenschale 10' durch Spritzgießen im Presswerkzeug 100 hergestellt. Die Außenschale 10' verbleibt in der unteren Werkzeughälfte 110. Die obere Werkzeughälfte 120 wird durch eine weitere Werkzeughälfte 130 ersetzt (oder alternativ ist die Werkzeughälfte 120 als Wendewerkzeug konzipiert und wird gewendet). Anschließend erfolgt das Hinterschäumen der Außenschale 10' mit dem Schaumkern 20.
Bei dem in 10 gezeigten Verfahren werden zwei Schalenbauteile im Presswerkzeug angeordnet: Eine Oberschale 12'wird als vorgefertigtes CFK-Bauteil in das Presswerkzeug 100 eingelegt und eine Hinterschale 14' wird durch Spritzgießen direkt im Presswerkzeug erzeugt. Nach Tausch oder Wendung des Oberwerkzeugs erfolgt die EPP-Schaumpartikel Injektion und die Ausbildung des Schaumkerns 20 und der Kunststoffhaut 30.
11 zeigt eine Variante, bei der zunächst die Oberschale 12' als CFK-Bauteil erzeugt wird und anschließend mit dem Schaumkern 20 hinterschäumt wird. Die Kunststoffhaut 30 bildet in dieser Ausgestaltung auch den Außenflächenabschnitt des Bauteils, der in 10 durch die Hinterschale 14'gebildet wird.
Die Varianten in den 12 und 13 zeigen Verfahren, bei denen zusätzlich zu dem mit Bezug auf 9 bzw. 10 beschriebenen Verfahren weiterhin vor dem Ausbilden des Schaumkerns 20 Funktionseinleger 50 mit in das Presswerkzeug 100 eingelegt und ebenfalls hinterschäumt werden.
Zur Ausbildung einer IMC-Schicht kann bei dem Verfahren weiterhin ein IMC Material auf die Kavitätswandung oder Kavitätswandungsabschnitte aufgebracht werden. Die EPP Schaumpartikel werden anschließend zu der bereits verhauteten EMC-Schicht in die Kavität des Werkzeugs gefüllt.
Bezugszeichenliste

1 - 8: Leichtbauteil
9: Heckklappe
10, 10', 12, 12', 14, 14', 16: Schalenbauteile
20: Schaumkern
30, 30': Kunststoffhaut
32: Kunststoffschicht
40: Klarlachschicht
50: Funktionseinleger
100: Presswerkzeug
110, 120, 130: Werkzeughälften
FL: Flanschbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1155799 A1 [0003]

Claims

Leichtbauteil, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, mit: mindestens einem Schalenbauteil (10, 10', 12, 12'), das einen ersten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils (1-8) bildet, und mit einem Schaumkern (20, 20A) aus Schaumpartikeln hinterschäumt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern (20, 20A) in eine geschlossene Kunststoffhaut (30) aus aufgeschmolzenen und kollabierten Schaumpartikeln übergeht, die einen zweiten Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils (1-8) bildet.
Leichtbauteil nach Patentanspruch 1, bei dem die Schaumpartikel EPP-Schaumpartikel, und insbesondere dampffrei verarbeitete EPP-Schaumpartikel sind.
Leichtbauteil nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, bei dem das mindestens eine Schalenbauteil (10, 10', 12, 12') als thermoplastisches Kunststoffteil oder als duromeres Kunststoffteil ausgebildet ist.
Leichtbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, das mindestens ein weiteres Schalenbauteil (14, 14', 16) aufweist, das einen weiteren Außenflächenabschnitt des Leichtbauteils bildet, wobei das weitere Schalenbauteil (14, 14', 16) ebenfalls mit dem Schaumkern (20, 20A) hinterschäumt ist.
Leichtbauteil nach Patentanspruch 4, bei dem die Schaumpartikel in einem lokal begrenzten Bereich zwischen dem Schalenbauteil (12) und dem weiteren Schalenbauteil (16) vollständig aufgeschmolzen und kollabiert sind und eine die Schalenbauteile (12, 16) in diesem Bereich miteinander verklebende schaumfreie Kunststoffschicht (32) bilden.
Leichtbauteil nach Patentanspruch 4 oder 5, bei dem das mindestens eine weitere Schalenbauteil (14, 16) als thermoplastisches Kunststoffteil oder als duromeres Kunststoffteil ausgebildet ist.
Leichtbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, das weiterhin einen Funktionseinleger (50) aufweist, der mit dem Schaumkern (20) verklebt ist.
Leichtbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Kunststoffhaut (30) zumindest abschnittsweise eine texturierte Oberfläche (30') aufweist.
Leichtbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Schaumkern (20A) mit der Kunststoffhaut (30) einen Formkörper mit komplex geformter Oberfläche bildet.
Leichtbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Leichtbauteil mit einer In Mould Coating-Schicht versehen ist, insbesondere im Bereich des zweiten Außenflächenabschnitts.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils mit den Schritten: - Bereitstellen eines temperierbaren Presswerkzeugs (100) mit einer Kavität, welche die Außenform des herzustellenden Leichtbauteils (1-8) vorgibt, -Anordnen mindestens eines Schalenbauteils (10, 10', 12, 12') an einem ersten Kavitätswandungsabschnitts des Presswerkzeugs (100), und Hinterschäumen des mindestens einen Schalenbauteils (10, 10', 12, 12') mit Schaumpartikeln in dem Presswerkzeug (100) zur Erzeugung eines Schaumkerns (20, 20A), wobei ein zweiter Kavitätswandungsabschnitt, an den die Schaumpartikel angrenzen, derart temperiert wird, dass die an die Kavitätswandung angrenzenden Schaumpartikel aufschmelzen und kollabieren und eine geschlossene Kunststoffhaut (30) bilden.
Verfahren nach Patentanspruch 11, bei dem das Hinterschäumen durch Einbringen von EPP-Schaumpartikeln in die Kavität des Presswerkzeugs (100) und dampffreies Aufschäumen derselben durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 oder 12, wobei der an die Schaumpartikel angrenzende Kavitätswandungsabschnitt mit einer Oberflächenstruktur zur Erzeugung einer texturierten Oberfläche auf der Kunststoffhaut (30') versehen ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, bei dem das Anordnen des mindestens einen Schalenbauteils (10, 10', 12, 12') durch Spritzgießen an die Kavitätswandung erfolgt oder durch Einlegen eines vorgefertigten Schalenbauteils.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, bei dem mindestens ein weiteres Schalenbauteil (14, 16) an einem weiteren Kavitätswandungsabschnitt des Presswerkzeugs (100) angeordnet und mit den Schaumpartikel hinterschäumt wird, wobei das Anordnen des weiteren Schalenbauteils (14, 16) durch Spritzgießen an die Kavitätswandung erfolgt oder durch Einlegen eines vorgefertigten Schalenbauteils.
Verfahren nach Patentanspruch 15, bei dem das Presswerkzeug (100) in einem lokalen Bereich des ersten und/oder des weiteren Kavitätswandungsabschnitt derart temperiert wird, dass benachbart zu dem lokalen Bereich zwischen den Schalenbauteilen (12, 16) befindliche Schaumpartikel vollständig aufschmelzen und kollabieren und eine lokal begrenzte, die Schalenbauteile(12, 16) miteinander verklebende schaumfreie Kunststoffschicht (32) ausbilden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, wobei weiterhin ein Funktionseinleger (50) in der Kavität des Presswerkzeugs (100) angeordnet wird und hinterschäumt wird, wodurch er nach dem Aufschäumen mit dem Schaumkern (20, 20A) verklebt ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 17, wobei ein IMC-Material auf einen Kavitätswandungsabschnitt, vorzugsweise den zweiten Kavitätswandungsabschnitt, aufgebracht wird zur Erzeugung einer IMC-Schicht im Leichtbauteil.