DE19604613A1 - Sandwichstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sandwichstruktur gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Sandwichstrukturen weisen in der Regel einen dreischichtigen Aufbau auf, der aus paarweise angeordneten hochfesten und hochsteifen Deckschalen zur Aufnahme von Zug- und Druckkräften bzw. Biegespannungen und aus einem schub-, zug- und druckfesten und -steifen Kern zur Aufnahme von Biegequerkräften bzw. Schubspannungen und gegebenenfalls zur Lasteinleitung von örtlichen Druck- und Zugkräften bzw. den zugehörigen Spannungen senkrecht zu den Deckschalen besteht. Eine Sandwichstruktur baut aufgrund ihrer geringen Dichte leicht und zeichnet sich durch eine besonders hohe Biegesteifigkeit aus. Von Vorteil ist ferner im allgemeinen die hohe Schall- und Wärmeisolation, die hohe Schlagzähigkeit und Energieaufnahme sowie der erreichbare Impact-Schutz.

Es sind bereits Sandwichstrukturen bekannt, die aus unterschiedlichen Kunststof­ fen, insbesondere Duroplasten aufgebaut sind. In der Regel weist der Kern entwe­ der einen Polymerschaum, z. b. PMI, PUR, PP auf. Er kann aber auch eine Wa­ benstruktur aus im Querschnitt sechseckförmigen Profilabschnitten aufweisen, die z. B. aus Papier und EP, Aramid und EP oder aus Aluminium bestehen. Diese Kerne erfordern jedoch eine aufwendige Herstellung. Zudem tritt bei gleichsinnigen Bauteilkrümmungen ein wabenspezifischer Satteleffekt auf, bei dem es zu einer Stauchung der Waben auf der Wölbungsinnenseite und gegenüberliegend dazu zu einer Dehnung der Waben auf der Wölbungsaußenseite kommt.

Von Nachteil ist ferner, daß die Kombination unterschiedlicher Materialien eine Stofftrennung vor der Wiederverwertbarkeit erfordert, wobei die getrennten Stoffe teilweise durch Restklebstoffe verunreinigt sein können. Die Verarbeitung von Duroplasten bewirkt ferner eine hohe Emissionsbelastung der Umwelt.

Bislang bekannte Sandwichstrukturen aus Kunststoff sind nicht für großserienrele­ vante Stückzahlen geeignet, da bei der Herstellung lange Zykluszeiten und ein hoher manueller Arbeitsaufwand erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sandwichstruktur aus Kunststoff zu schaffen, die in einer Großserie herstellbar und einfach wiederverwertbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch den Aufbau der Sandwichstruktur aus gleichen oder gleichartigen Thermo­ plasten ist eine einfache und schnelle Herstellung möglich. Da die erfindungsge­ mäße Sandwichstruktur im Prinzip nur aus einem einzigen Polymer besteht, ist die Sandwichstruktur in einfacher Weise wieder verwertbar, z. B. in einem Plastifizier­ preßverfahren.

Die Deckschalen der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur bestehen aus Lami­ naten, die durch die Verwendung von Verstärkungsfasern aus Glas und/oder Koh­ lenstoff und/oder Aramid und/oder aus höherschmelzenden Thermoplastfasern eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen.

Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Kerns als eine Röhrchen-Waben- Struktur, bei der die Röhrchen nur über eine linienförmige Kontaktfläche miteinan­ der verbunden sind, und durch eine kraftflußgerechte Ausrichtung der Röhrchen werden beim Verformungsvorgang die Röhrchen parallel zueinander verschoben und somit der Satteleffekt vermieden.

Vorteilhafterweise sind die Röhrchen der Wabenstruktur zweiteilig aufgebaut und bestehen aus einem inneren Strukturröhrchen, dessen Werkstoff mit dem Matrix­ werkstoff des Laminates übereinstimmt. Wie beim Laminat der Deckschalen, die mit einer Verbindungsschicht aus einem Thermoplasten beschichtet sind, die eine Modifikation des Matrixwerkstoffes der Laminate in bezug auf einen niedrigeren Schmelzpunkt darstellen, ist das Strukturröhrchen mit einem Verbindungsröhrchen beschichtet, das aus einem Thermoplasten besteht, der eine Modifikation des Ma­ trixwerkstoffes der Laminate bzw. des Sturkturröhrchens in bezug auf einen niedri­ geren Schmelzpunkt ist.

Vorteilhafterweise schließen die Deckschalen die Durchgangsöffnungen der Röhrchen. Die Röhrchen sind mit den Deckschalen über die Matrix der Verbin­ dungsschicht hochfest verbunden.

Durch die Einarbeitung von hochfesten Inserts in die Sandwichstruktur an Stellen, an denen eine Krafteinleitung erfolgt können höhere Kräfte übertragen und Be­ schädigungen vermieden werden.

Die Inserts bestehen ebenfalls aus einem Thermoplast und sind zumindest mit dem Kern schubfest verbunden. In besonderen Anwendungsfällen können die Inserts mit metallischen Einlegem, z. B. mit Gewindebuchsen oder Gewindebolzen verse­ hen sein.

Bevorzugte Thermoplaste sind Polypropylen PP und/oder technische Thermo­ plaste, wie Polyamid PA und/oder Polyethylenterephthalat PET und/oder Poly­ butylenterephthalat PBT und/oder hochtemperaturstabile Thermoplaste wie Poly­ etheretherketon PEEK und/oder Polyetherimid PEl und/oder Polyphenylensulfid PPS.

Die erfindungsgemäßen Sandwichstrukturen werden vorteilhafterweise als relativ großflächige Strukturbauteile beispielsweise im Fahrzeugbau, Flugzeugbau oder in der Isolationstechnik eingesetzt. Mögliche Kraftfahrzeugbauteile sind beispiels­ weise die Bodengruppe, die Front- und Heckklappe, der Verdeckdeckel, ein Dach­ modul und/oder ein Schiebe- oder Klappdach.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines plattenförmigen Laminats zur Herstel­ lung der Deckschalen im unverformten Zustand,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer oberen Deckschale im verformten Zu­ stand

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Röhrchen-Waben-Struktur zur Herstel­ lung eines Kerns im unverformten Zustand,

Fig. 4 eine Querschnittansicht der Röhrchen-Waben-Struktur der Fig. 3 im verformten Zustand,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer in die Endform gebrachten unteren Deckschale und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer zusammengebauten Sandwichstruktur, die zusätzlich mit einem Insert versehen ist.

Die Fig. 1 zeigt einen rechteckförmigen Querschnitt eines plattenförmigen Lami­ nats 2 zum Herstellen einer Deckschale 3, 4 zum Aufbau einer Sandwichstruktur 1. Das Laminat 2 weist eine Thermoplast-Matrix auf, die mit Verstärkungsfasern ver­ sehen ist. Vorzugsweise ist ein technischer Thermoplast eingesetzt. Die Verstär­ kungsfasern können aus Glasfasern, Kohlenstoff und/oder Aramid und/oder hochleistungsfähigen Thermoplasten bestehen. Die Verstärkungsfasern können als einzelne Fasern und/oder als Gewebe und/oder als Gestricke und/oder als Gewirke ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, daß die Verstärkungsfasern aus einem höherschmelzenden Thermoplasten bestehen. Auf diese durch die Thermoplastmatrix und die Verstärkungsfasern gebildete Trägerschicht 5 ist eine Verbindungsschicht 6 beispielsweise in Form einer oder mehrerer Thermoplast­ folien angeordnet, wobei der Thermoplast der Verbindungsschicht 6 eine Modifika­ tion des Matrixwerkstoffes der Trägerschicht 5 mit einem niedrigeren Schmelzpunkt ist. In einer anderen Ausführungsform ist die Verbindungsschicht wie die Träger­ schicht aufgebaut, wobei jedoch als Matrixwerkstoff der Thermoplast mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zum Einsatz kommt.

Die Fig. 2 zeigt eine umgeformte obere Deckschale 3, die an ihren Rändern 7 und 8 Verbindungsflächen 9, 10 aufweist, die vorzugsweise eben ausgebildet sind.

Die Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Röhrchen-Waben-Struktur 11, die aus einer Vielzahl miteinander verbundenen Röhrchen 12 besteht. Die Röhrchen 12 weisen vorzugsweise eine kreisförmigen Querschnitt auf und sind an ihren ge­ genüberliegenden Enden 13, 14 offen. Ein Röhrchen 12 weist ein Strukturröhrchen 15 auf, dessen Mantelfläche mit einer Verbindungsschicht oder einem Verbindungsröhrchen 16 versehen ist. Der Thermoplast des Verbindungsröhrchens 16 stellt eine Modifikation des Thermoplasten des Strukturröhrchens 15 mit einem niedrigeren Schmelzpunkt dar. Die Röhrchen 12 sind über ihre Mantelflächen und die sich daraus ergebende linienförmige Berührung zu einer Röhrchen-Waben- Struktur 11 miteinander verbunden. Aufgrund der Röhrchen-Waben-Struktur 11 wird bei einem Wärmeumformvorgang in ein gekrümmtes Bauteil der ansonsten auftretende Satteleffekt dadurch vermieden, daß die Röhrchen 12 aneinander ab­ gleiten können und im wesentlichen ihre ursprüngliche Ausrichtung und Form bei­ behalten. Durch einen von der Endform des Kerns 22 abhängigen Stauchvorgang werden die Röhrchen 12 in ihrer Länge verkürzt.

Die Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer zu einem Kern 22 umgeformten Röhrchen-Waben-Struktur 11, bei der die Röhrchen 12 unterschiedlich gestaucht sind. Durch die starke Abflachung an den Randbereichen 17, 18 haben die Röhrchen 12 ihre ursprüngliche Form und Größe verloren, so daß es zu einer er­ höhten Thermoplastansammlung und damit zu einer Dichtezunahme in den Rand­ bereichen 17, 18 kommt. Im Unterschied zu den Röhrchen 12 der Fig. 3 sind die Röhrchen 12 der Fig. 4 an ihren gegenüberliegenden Enden 13, 14 je nach Stau­ chungsgrad unterschiedlich zusammengedrückt. Im mittleren Abschnitt 20 der Röhrchen 12 kann in Abhängigkeit von der gewünschten Wabengeometrie die zy­ lindrische Form der Röhrchen 12 noch weitestgehend erhalten bleiben. Entspre­ chend ist die Symmetrielinie 19 in der Fig. 4 nur noch in diesem Bereich einge­ zeichnet.

Die Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer unteren Deckschale 4 mit einem im we­ sentlichen U-förmigen Querschnitt. Auch diese Deckschale 4 besteht aus einer Trägerschicht 5 und einer Verbindungsschicht 6, wobei die Verbindungsschicht 6 wie bei der Deckschale 3 in Richtung zur Außenoberfläche 21 der als Kern 22 die­ nenden Röhrchen-Waben-Struktur 11 zeigt. An der Deckschale 4 sind am Randbe­ reich 23, 24 Verbindungsflächen 25, 26 vorgesehen, die beim Zusammenbau der Deckschalen 3, 4 mit dem Kern 22 an den Verbindungsflächen 9, 10 der Deck­ schale 3 anliegen und über die beim Verbindungsvorgang aufgeschmolzenen Verbindungsschichten 6 verbunden werden.

Die Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer fertigen Sandwichstruktur 1, bei der die Verbindungsschichten 6 der Deckschalen 3, 4 mit der Außenoberfläche 21 des Kerns 22 verbunden sind. Zusätzlich ist in dieser Sandwichstruktur 1 an einer Krafteinleitungsstelle 27 ein Insert 28 fest mit den Außenflächen der Röhrchen 12 des Kerns 22 und mit den Trägerschichten 5 und den Verbindungsflächen 6 der Deckschalen 3 und 4 verbunden.

Claims (14)

1. Sandwichstruktur, bestehend aus einem Kern und aus Deckschalen, die den Kern umhüllen, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff des Kerns (22) und der Deckschalen (3, 4) ein einziger gleicher oder gleichartiger Thermoplast ist und daß die Verbindung zwischen dem Kern (22) und den Deckschalen (3, 4) ebenfalls über den gleichen oder gleichartigen Thermoplast erfolgt aus dem der Kern (22) und die Deckschalen (3, 4) aufgebaut sind.

2. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deck­ schalen (3, 4) aus Laminaten (2) hergestellt sind, die mit mindestens einer Verbindungsschicht (6) beschichtet sind, wobei die Verbindungsschicht (6) eine Modifikation des Matrixwerkstoffes der Laminate (2) mit einem niedrige­ ren Schmelzpunkt ist.

3. Sandwichstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lami­ nate (2) mit Verstärkungsfasern aus Glas und/oder Kohlenstoff und/oder Aramid und/oder aus höherschmelzenden Thermoplastfasern ausgerüstet sind.

4. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kern (22) aus Röhrchen (12) besteht, die an ihrer Mantelfläche miteinander verbunden sind und eine Röhrchen-Waben-Struk­ tur (11) bilden.

5. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das einzelne Röhrchen (12) zweiteilig aufgebaut ist und aus einem inneren Strukturröhrchen (15) und einem an der Mantelfläche des Strukturröhrchens (15) ausgebildeten Verbindungsröhrchen (16) besteht.

6. Sandwichstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werk­ stoff des Strukturröhrchens (15) dem Matrixwerkstoff der Laminate (2) und der Werkstoff des Verbindungsröhrchens (16) dem modifizierten Thermo­ plasten der Verbindungsschicht (6) entspricht.

7. Sandwichstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ gangsöffnungen der Röhrchen (12) durch die Deckschalen (3, 4) verschlos­ sen sind.

8. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Röhrchen (12) kraftflußgerecht angeordnet sind.

9. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Stellen (27) der Sandwichstruktur (1) Inserts (28) eingearbeitet sind, an denen eine Krafteinleitung erfolgt.

10. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Insert (28) zweiteilig aus einer inneren thermoplasti­ schen Tragstruktur und aus einer äußeren thermoplastischen Verbindungs­ schicht besteht, wobei der Thermoplast der Tragstruktur gleich oder gleichar­ tig ist wie der Thermoplast der Trägerschicht (5) der Deckschalen (3, 4) und wobei der Thermoplast der Verbindungsschicht des Inserts (28) gleich oder gleichartig ist wie der Thermoplast der Verbindungsschicht (6) der Deckscha­ len (3, 4).

11. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Insert (28) mit einem metallischen Einleger versehen ist.

12. Sandwichstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Insert (28) ein thermoplastisches Recyclat ist.

13. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Thermoplast Polypropylen PP und/oder ein techni­ scher Thermoplast wie Polyamid PA und/oder wie Polyethylenterephthalat PET und/oder wie Polybuthylenterephthalat PBT und/oder ein hochtempera­ turstabiles Thermoplast wie Polyetheretherketon PEEK und/oder wie Poly­ etherimid PEI und/oder wie Polyphenylensulfid PPS ist.

14. Sandwichstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sandwichstruktur (1) als ein relativ großflächiges und gegebenenfalls gekrümmtes Strukturbauteil ausgebildet ist.