DE10242185B3

DE10242185B3 - Kunststoffplatte mit energieabsorbierenden Strukturen

Info

Publication number: DE10242185B3
Application number: DE2002142185
Authority: DE
Inventors: Ralph Knöller
Original assignee: Peguform GmbH
Current assignee: SMP Deutschland GmbH
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-09-11

Abstract

Eine Kunststoffplatte 7 aus einem Sandwichmaterial wird an verschiedenen Stellen mit nichthaftenden Einlegern hinterlegt. Dadurch wird die Haftung zwischen Wabenkern oder Schaumschicht 3 und mindestens einer der Deckschichten oder Verstärkungsschichten 1, 2, 4, 5 unterbunden, was eine Schwachstelle und somit eine Sollknickstelle im Crashfall zur Folge hat. Gleichzeitig wird die statische Festigkeit der Kunststoffplatte nur minimal verringert, sodass eine Anwendung für plattenförmige Teile, wie Ladeböden und anderer Bodenstrukturen, Seitenverkleidungen, Dachelementen, welche vorwiegend statischen Belastungen ausgesetzt sind, bei geringem Bauteilgewicht möglich ist. Bei Einwirkung dynamischer Stöße zeigen derartige Kunststoffplatten ein definiertes Knickverhalten, welches je nach Anordnung und Art der Schwachstellen gleichzeitig der Energieabsorption eines derartigen Stoßes dienen kann.

Description

Ladeböden oder andere Verschalungsteile wie Seitenwände oder Dächer vorzugsweise für Fahrzeuge bestehen entweder aus einer Blechkonstruktion oder aus einer meist mehrschichtigen Kunststoffplatte oder einem Verbund von Blechträgern und Kunststoffeinlagen oder -verstärkungen. Um die notwendige Steifigkeit zu gewährleisten, besteht die Kunststoffplatte meist aus mehreren Schichten oder ist als Verbundmaterial aufgebaut. Zum Einsatz kommen faserverstärkte Kunststoffe und Metall-Kunststofthybridkonstruktionen.

In DE 19638005 A1 wird eine derartige Kunststoffplatte vorgestellt, die in Nutzfahrzeugen ihr hauptsächliches Anwendungsgebiet findet. Diese Kunststoffplatte besteht aus einem Tragstrukturbereich und je einem seitlich angeordneten Deformationsstrukturbereich. Diese beiden Bereiche sind über je einen, längsseitig des Tragstrukturbereichs entlanglaufenden Doppel-T-Träger miteinander verbunden. In dem Tragstrukturbereich sind auch noch einige Querstreben integriert. Bei einem Seitenaufprall verformt sich der Deformationsstrukturbereich, während der Tragstrukturbereich durch die Querstreben seine ebene Form weitgehend beibehält. Nach diesem Stand der Technik können Frontalstöße oder Heckstöße kaum absorbiert werden (Steifigkeit durch die Doppel T-Träger), des weiteren bestehen sowohl der Tragstrukturbereich als auch der Deformationsstrukturbereich aus einem Blech-Kunststoftverbund, was das Recycling etwas schwieriger gestaltet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die notwendigen Anforderungen an das Recycling zu erfüllen und gleichzeitig die Steifigkeit zu gewährleisten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist die Kunststoffplatte in einer bevorzugten Ausführungsvariante aus einem Sandwichmaterial aufgebaut. Dieses Sandwichmaterial besteht aus einem Kern, der eine Wabenform oder Schaumstruktur aufweist und je einer oder mehreren Deckschichten, die meist aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kunststoffplatte bereitzustellen, die bei einem Frontalcrash definiert knickt und Stossenergie absorbieren kann. Damit eine derartige Kunststoffplatte bei einem Frontalcrash definiert knickt und es zu einer kontrollierten, energieabsorbierenden Faltung kommt, werden die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials schon bei dessen Herstellung definiert. Die Haftung zwischen Wabenkern und Deckschicht wird in Teilbereichen aufgehoben, was in diesem Teilbereich eine Schwachstelle hervorruft. Gleichzeitig wird die statische Festigkeit nur minimal verringert, sodass alle Lastenheftanforderungen erfüllt werden können.

In einer ersten Ausführungsform werden Papierstreifen oder einseitig beschichtete temperaturbeständige Klebestreifen oder ähnliches auf den Wabenkern oder die Schaumschicht gelegt. Der Wabenkern oder die Schaumschicht wird nachträglich heißverpresst. Dadurch entsteht ein Verbund zwischen Wabenkern oder Schaumschicht und Deckschichten. Durch die Einlage kann dieser Verbund nicht zustande kommen und es bildet sich eine Schwachstelle aus.

Diese Schwachstellen werden auf der Kunststoffplatte so verteilt, dass entweder spezielle Stöße, wie Heckstöße bei Heckteilen oder Frontalstöße bei Frontböden oder Seitenstöße bei Böden im Zentralbereich des Fahrzeugs, oder auch Kombinationen derselben, wenn kombinierte Belastungen auf die Bodenplatte einwirken, abgefangen werden können.

In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Schwachstellen aus gasgefüllten Schläuchen, die zwischen die einzelnen Schichten eingelegt werden. Diese Schläuche können aus demselben Material wie die Schichten bestehen, vorzugsweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial wie in einer beispielhaften Ausführung aus Polypropylen. Während des Pressvorgangs und der Erwärmung verschmelzen die Wände der Schläuche mit dem Schichtmaterial, das im Schlauch eingeschlossene Gas kann aber nicht entweichen und bildet so eine Schwachstelle. Diese Ausführung hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine Verbundmaterialien verwendet werden müssen, was das Recycling der Bodenplatte vereinfacht. Da es sich bei dem Pressverfahren um ein Verfahren handelt, bei welchem nur relativ geringe Pressdrücke wirken, kann der entstehende Gasdruck bei der Verarbeitung nicht zu Gefährdungen des Bauteils, der Werkzeuge oder der in der Verarbeitung tätigen Personen führen.

In einer anderen Ausführungsform bestehen die Einleger aus Stäben oder Rohren aus wesentlich wärmebeständigerem und steiferem Material als dem Schichtmaterial. Ein Beispiel für diese Ausführungsform sind Metallplatten, Profile oder Rohre oder Teflonstäbe. Diese Einleger werden schon vor dem Pressvorgang eingelegt und ragen zumindest auf einer Seite über die Bodenplatte hinaus. Die Einleger bestehen aus einem Material, welches mit dem Kunststoffmaterial keine Verbindung eingeht, beispielsweise eine glatte Metalloberfläche, Vorteilhafterweise unter Auftrag einer Beschichtung, welche Gleitmitteleigenschaften aufweist oder einem Teflonstab. Die Einleger werden mit den Schichten des Verbundmaterials, also der oder den Kunststoffträgerschichten und dem Kernmaterial erwärmt und verpresst.

Nach dem Pressvorgang werden die Einleger entnommen und es verbleibt ein Hohlraum, welcher eine Schwächung der Kunststoffplatte bedeutet, zurück. Dieses Verfahren findet vorzugsweise auf ebene Bauteile, wie Bodenplatten, Anwendung. Die Kunststoffplatten in der beschriebenen Sandwichbauweise finden Einsatz im Fahrzeugbau, vorzugsweise als Böden, Ladeböden oder Seitenwände im Nutzfahrzeugbau oder allgemein als Böden, Verkleidungen oder Dachkonstruktionen. Die Sicherheitsanforderungen für solche Fahrzeugböden erfordern mindestens eine definierte Solleinkerbung oder Knickstelle, um bei einem Aufprall energieabsorbierende Wirkung zu entfalten.

1 stellt einen Schnitt durch eine Kunststoffplatte mit Einlage in perspektivischer Darstellung dar.
2 ist eine Ansicht einer Kunststoffplatte von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlageteilen zur kombinierten Aufnahme von Frontal-, Heck oder Seitenstößen.
3 ist eine Ansicht einer Kunststoffplatte von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlageteilen zur kombinierten Aufnahme von Frontal- oder Heckstößen.
4 ist eine Ansicht einer Kunststoffplatte von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlageteilen zur kombinierten Aufnahme von Stößen aus beliebigen Richtungen.
5 ist eine erste Ausführung einer Kunststoffplatte mit einem Einleger in Form eines Schlauches.
6 stellt eine zweite Ausführung eines Kunststoffplatte mit einem Einleger dar, welcher nach dem Pressvorgang entnommen wird.
7 stellt eine drittes Ausführungsbeispiel einer Sollknickstelle in einer Kunststoffplatte dar.
8 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sollknickstelle in einer Kunststoffplatte dar.
1 stellt einen Schnitt durch eine als Sandwichbauteil ausgeführte Kunststoffplatte mit Einlage in perspektivischer Darstellung dar. Die einzelnen Schichten werden nacheinander in eine Pressform gelegt. Dabei wird zuerst eine Haut eingelegt, welche die Oberfläche der Struktur bilden soll. Auf die Haut werden eine oder mehrere Verstärkungsschichten gelegt, welche beispielsweise aus Glas- oder Karbon- oder Naturfasern bestehen, die in einem duroplastischen Kunstharz getränkt wurden. Die einzelnen Schichten werden separat zugeschnitten, beispielsweise mittels Wasserstrahlschneiden oder durch mechanisches Stanzen. In der weiteren Folge werden die einzelnen Schichten nacheinander in die Pressform eingelegt und dann beheizt, was zur Polymerisierung des Kunstharzes führt. Zusätzlich kann durch Evakuierung eine Pressung der Schichten erfolgen. Die Formstabilität wird durch eine in zumindest einer Schicht vorhandenen Struktur gewährleistet. Diese Struktur kann beispielsweise durch eine Wabenstruktur oder Schaumstruktur in zumindest einer Schicht des Kunststoffmaterials erzeugt werden. Eine derartige Sandwichbauweise ist beispielsweise nach dem in WO9964224 beschriebenen Verfahren bekannt: Eine Außenhaut 1 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischen Material, eine oder mehrere Verstärkungsschichten 2 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischen Material, eine Wabenschicht oder Schaumschicht 3 aus thermoplastischem oder duroplastischen Material, ein oder mehrere Einleger 6, mindestens eine Verstärkungsschicht 4 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischen Material und eine Innenhaut 5 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischen Material werden in eine Pressform eingelegt. Die Innen- und Außenhaut können als Folie oder als ein dekorativer, kratzfester oder anderer Bezug ausgeführt sein. Alternativ dazu handelt es sich um weitere Verstärkungsschichten. Die Herstellung der Schichtstruktur in der obigen Schichtfolge umfasst die folgenden Schritte: Herstellung der Schichtstruktur in der oben beschriebenen Schichtfolge, Aufheizen der Schichtstruktur, Pressen der Schichtstruktur in eine kalte Form. Die Schichten 2 und 4 können auch doppelt oder dreifach vorhanden sein, des weiteren kann unter der Deckschicht oder Verstärkungsschicht oder Haut 1,5 noch eine Gewebeschicht eingezogen sein. Beim Vorhandensein mehrerer Schichten können die Einleger nicht nur zwischen der Wabenschicht oder Schaumschicht und der (innersten) Verstärkungsschicht einseitig angebracht sein, sondern auch beidseitig oder auch zwischen jeder Schichtfolge. Dadurch wird die statische Festigkeit nicht oder nur geringfügig verändert, wohl aber die aufzunehmende Energie für ein Ausknicken in dem Bereich der Einleger herabgesetzt. Aus diesem Grund entsteht genau entlang der Linie der Einleger eine Sollknickstelle, die zur Faltung des Sandwichmaterials führt.
2 ist eine Ansicht einer Kunststoffplatte 7 von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlageteilen zur kombinierten Aufnahme von Frontal-, Heck oder Seitenstößen. In dieser Ansicht wurde die Verstärkungsschicht entfernt, um die Position der Einleger darzustellen. Die Einleger 8 nehmen dabei Front- oder Heckstöße auf, indem sie ein Auffalten des Bodens durch ein Knicken entlang des Verlaufs des Einlegers bewirken. Die Einleger 9 können dementsprechend Stöße abfedern, die aus einem Seitenaufprall herrühren. Wenn die Dicke der Einleger wesentlich geringer als die Dicke der Verstärkungsschichten ist, können die Einleger in den Kreuzungspunkten übereinander gestapelt werden. Wichtig bei der Auswahl des Einlegermaterials ist, dass auch unter höheren Pressdrücken kein Kunststoffmaterial durch das Einlegermaterial hindurchtritt. Als ein mögliches Material kommt Papier in Frage, auch einseitig haftende Klebestreifen können zum Einsatz kommen.
3 ist eine Ansicht eines Sandwichbauteils von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlegern zur kombinierten Aufnahme von Frontal- oder Heckstößen. In dieser Variante wurden die Einleger 9 weggelassen. Die Anzahl der Einleger ist in erster Linie vom Bauraum vorgegeben, der zur Auffaltung zur Verfügung steht.
Deswegen kann die Position und Anzahl der Einleger beliebig variiert werden.
4 ist eine Ansicht einer als Sandwichbauteil ausgeführten Kunststoffplatte von oben mit einer möglichen Anordnung von Einlageteilen zur kombinierten Aufnahme von Stößen aus beliebigen Richtungen. Die in 2 dargestellten Einleger 9 werden von einer weiteren Lage überlagert. Die Anordnung der Einleger 11 braucht nicht notwendigerweise in einem Winkel von 45° zu den Einlegern 8 und 9 erfolgen, jede beliebige Richtung ist denkbar, abhängig von dem für das Fahrzeug gewünschten Auffaltungsverhalten.
In einer weiteren Ausführungsform, welche in 5 dargestellt ist, bestehen die Schwachstellen aus gasgefüllten Schläuchen 14, die zwischen die einzelnen Schichten eingelegt werden. Diese Schläuche können aus demselben Material wie die Schichten bestehen, aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Polypropylen. Während des Pressvorgangs und der Erwärmung verschmelzen die Wände der Schläuche 14 mit dem Schichtmaterial, das im Schlauch eingeschlossene Gas kann aber nicht entweichen und bildet so eine Schwachstelle. Diese Ausführung hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine Verbundmaterialien verwendet werden müssen, was das Recycling der Kunststoffplatte vereinfacht. Der Ausschnitt einer Kunststoffplatte 7, welcher in 5 zuoberst dargestellt ist, zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Schlauch, welcher zwischen Verstärkungsschicht 1 und Kernschicht 3 angeordnet ist. In einer Ausführungsform einer Kunststoffplatte mit mehreren Verstärkungsschichten 1,2,4,5 kann der Schlauch 14 auch zwischen die Verstärkungsschichten eingelegt werden. In einer dritten Ausführungsform können derartige Schläuche 14 auch überlappend angeordnet werden, wie in 5 in der untersten Darstellung gezeigt ist.
In einer anderen Ausführungsform, welche in 6 dargestellt ist, bestehen die Einleger aus Stäben oder Rohren aus wesentlich wärmebeständigerem und steiferem Material. Ein Beispiel für diese Ausführungsform sind Metallplatten, Profile oder Rohre, vorzugsweise mit einer Beschichtung. Diese Einleger werden schon vor dem Pressvorgang eingelegt und ragen zumindest auf einer Seite über die Kunststoffplatte hinaus. Die Einleger bestehen aus einem Material, welches nicht mit dem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise zumindest teilweise schmelzenden PP, haftet. Hierzu kann eine glatte Metalloberfläche verwendet werden, auf welche vorzugsweise eine Beschichtung aufgebracht ist, welche Gleitmitteleigenschaften aufweist. Als Alternative können Teflonstäbe eingesetzt werden. In dem in 6 zuoberst dargestellten Ausschnitt aus einer aus mehreren Lagen bestehenden Kunststoffplatte werden zylinderförmige Einleger verwendet. In dieser Darstellung handelt es sich um zylindrische Hohlprofile 15. In dem in 6 in der Mitte dargestellten Ausschnitt aus einer aus je zwei Verstärkungsschichten und einer Kernschicht aus einem Wabenmaterial oder einem Schaummaterial werden mehrere Varianten für Einleger mit in verschiedener Lage 15, 16 und mit verschiedenen Profilen 16, 17, 18 dargestellt. Hierbei sollen als Beispiel ein Kantprofil 17, ein Dreiecksprofil 18 und ein kreisförmiges Vollprofil 16 genannt werden. Die Einleger werden mit den Schichten des Verbundmaterials, die als thermoplastische oder duroplastische Verstärkungsschichten oder als thermoplastische oder duroplastische Kernschichten aus einem Wabenmaterial oder einem Schaummaterial erwärmt und verpresst.
Nach dem Pressvorgang werden die Einleger entnommen und es verbleibt ein Hohlraum, welcher eine Schwächung des Bodens zur Folge hat, zurück. Dieses Verfahren findet Anwendung auf ebene Bauteile. Der Einleger kann dazu an seinem Ende mit Haken oder (nicht dargestellten) Ösen 19 versehen sein, welche die Entnahme mittels Entnahmevorrichtungen erleichtern.
In 7 wird ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sollknickstelle für eine Kunststoffplatte dargestellt. In dieser Ausführungsform wird ein flüssiges Trennmittel 12 eingesprüht. Dieses flüssige Trennmittel kann zwischen Wabenkern oder Schaumschicht 3 und Verstärkungsschicht 2,4 oder zwischen zwei Verstärkungsschichten 1,2,5,6 angeordnet sein.
8 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel dar. Nach diesem Ausführungsbeispiel sollen die Fasern zumindest einer der faserverstärkten Schichten 1,2,5,6 nicht vorbehandelt werden, sodass die Haftung, die normalerweise durch die Vorbehandlung erzielt wird, unterbleibt. Somit werden Bereiche geringerer Haftung schon bei dem Arbeitsschritt des Verwebens der Faserverstärkung erzeugt.

1: Deckschicht oder Verstärkungsschicht
2: Verstärkungsschicht
3: Wabenschicht oder Schaumschicht
4: Verstärkungsschicht
5: Deckschicht oder Verstärkungsschicht
6: Einleger
7: Kunststoffplatte
8: bandförmiger Einleger
9: bandförmiger Einleger
10: Kreuzungspunkt
11: bandförmiger Einleger
12: flüssiges Trennmittel
13: unbehandeltes Fasermaterial
14: Schlauch
15: rohrförmiger Einleger (Hohlprofil
16: zylinderförmiger Einleger (Vollprofil)
17: Einleger als Kantprofil
18: Einleger mit Dreiecksprofil
19: Haken

Claims

Bodenstruktur, insbesondere Fahrzeugbodenstruktur, bestehend aus einem mehrschichtigen Verbund, wobei der Verbund mindestens eine Wabenschicht oder Schaumschicht und mindestens je eine Verstärkungsschicht für die Wabenschicht oder Schaumschicht enthält, die alle aus Kunststoff bestehen, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest zwischen einer Verstärkungsschicht und der Wabenschicht oder Schaumschicht ein Bereich in der Oberfläche ausgebildet ist, in welchem die Haftung der beiden Schichten gegenüber der nicht zu dem Bereich gehörenden Oberflächen der Bodenstruktur vermindert ist.
Bodenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere haftvermindernde Bereiche parallel zueinander auf oder in der Bodenstruktur angeordnet sind.
Bodenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die haftvermindernden Bereiche einen Winkel zueinander aufweisen.
Bodenstruktur nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die haftvermindernden Bereiche kreuzweise eingesetzt sind.
Bodenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die haftvermindernden Bereiche zumindest teilweise aus wärmebeständigem und druckbeständigem Material bestehen.
Bodenstruktur nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die haftvermindernden Bereiche nach der Herstellung des mehrschichtigen Verbundes entnommen werden.
Bodenstruktur nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der haftvermindernde Bereich ein stabförmiges Bauteil ist.
Bodenstruktur nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass der haftvermindernde Bereich zumindest teilweise aus Teflon besteht.
Bodenstruktur nach Ansprüchen 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger zumindest an einer Seite nicht auf den sie umgebenden Schichten haften.
Bodenstruktur nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger aus Papier bestehen.
Bodenstruktur nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger hohl sind.
Bodenstruktur nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass in dem Hohlraum ein Gas eingeschlossen ist.
Bodenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger auf beiden Seiten der Wabenschicht oder Schaumschicht eingelegt werden können.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Bodenstruktur, wobei die Schichten mindestens eine Deckschicht 1 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischem Material, eine oder mehrere Verstärkungsschichten 2 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischem Material, eine Wabenschicht oder Schaumschicht 3 aus thermoplastischem oder duroplastischem Material, einen oder mehrere Einleger 6, mindestens eine Verstärkungsschicht 4 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischem Material und eine Innenhaut 5 in verstärktem thermoplastischen oder duroplastischem Material enthalten, wobei die einzelnen Schichten separat zugeschnitten werden, beispielsweise mittels Wasserstrahlschneiden oder durch mechanisches Stanzen, dann in die Pressform eingelegt und beheizt werden, wobei durch Evakuierung die Pressung der Schichten zusätzlich unterstützt werden kann, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger zwischen die Schichten eingelegt werden, bevor diese durch Temperatur- oder Druckeinfluss miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger nach der Bildung des Verbundes im Verbund verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleger nach der Bildung des Verbundes aus dem Verbund entnommen werden.