DE202005012951U1

DE202005012951U1 - Schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial

Info

Publication number: DE202005012951U1
Application number: DE200520012951
Authority: DE
Original assignee: POLYMER-TEC GmbH; Polymer Tec GmbH
Current assignee: Sekisui Alveo AG
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2005-08-15
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2015-08-16

Abstract

Schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial, umfassend
a) ein formstabiles Trägermaterial (1), welches zumindest auf einer seiner Oberflächen (10) mit vorstehenden Abstandshaltern (100) versehen ist, und
b) eine schalldämpfende Membran (2), die in punkt- oder linienförmigen Bereichen auf den Abstandshaltern (100) des Trägermaterials (1) befestigt ist, so dass zwischen den Abstandhaltern Freiräume (101) gebildet sind, in denen die schalldämpfende Membran (2) beabstandet vom Trägermaterial (1) gehaltert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) aus einem Schaumkunststoff mit überwiegend geschlossenzelliger Schaumstruktur auf Basis thermoplastischer Kunststoffe hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial, umfassend

a) ein formstabiles Trägermaterial, welches zumindest auf einer seiner Oberflächen mit vorstehenden Abstandshaltern versehen ist, und
b) eine schalldämpfende Membran, die in punkt- oder linienförmigen Bereichen auf den Abstandshaltern des Trägermaterials befestigt ist, so dass zwischen den Abstandhaltern Freiräume gebildet sind, in denen die schalldämpfende Membran beabstandet vom Trägermaterial gehaltert ist.

Ein derartiges schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial eignet sich insbesondere für Anwendungen innerhalb eines Kraftfahrzeuges, z. B. als Motorkapselung.
Ein gattungsgemäßes Verbundmaterial, bei dem auf einem Trägermaterial eine Membran aus einer schwingfähigen und mit einer Kunststoffschicht überzogenen Aluminiumschicht vorgesehen ist, ist aus der EP 0 931 309 B1 bekannt geworden. Die erzielbare Schalldämpfung erscheint jedoch insbesondere im Vergleich mit den bisher verwendeten konventionellen Schalldämmmatten noch verbesserungswürdig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial vorzuschlagen, insbesondere für die Verwendung im Automobil bereich, welches einfach herstellbar ist und die bekannten Materialien hinsichtlich seiner Wirksamkeit übertrifft.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausbildung eines schalldämmenden und schalldämpfenden Verbundmaterials gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Vorschlag beruht darauf, eine schalldämpfende Membran aus einem Schaumkunststoff mit überwiegend geschlossenzelliger Schaumstruktur auf Basis thermoplastischer Kunststoffe vorzusehen, die in punkt- oder linienförmigen Bereichen auf den Abstandshaltern des Trägermaterials befestigt wird, so dass zwischen den Abstandshaltern Freiräume gebildet sind, in denen die schalldämpfende Membran beabstandet vom Trägermaterial gehaltert ist.
Ein derartiges Verbundmaterial zeigt insbesondere für Anwendungen im Kraftfahrzeug besonders gut geeignete Akustikcharakteristika, die durch entsprechende Auswahl weiterer Parameter an die jeweiligen Anforderungen exakt anpassbar sind.
Die eingesetzte Membran aus einem Schaumkunststoff ist hierbei hauptsächlich für die Schalldämpfung und das Trägermaterial für die Schalldämmung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials verantwortlich.
Bevorzugt ist die schalldämpfende Membran aus einem Schaumkunststoff auf Basis von Polypropylen hergestellt, da auch die üblicherweise verwendeten Trägermaterialien auf Basis von Polypropylen, gegebenenfalls glasfaserverstärktem Polypropylen hergestellt sind, so dass ein sortenreines Verbundmaterial geschaffen wird, was sich bei Ende der Gebrauchsdauer leichter entsorgen lässt.
Die Dichte der verwendeten schalldämpfenden Membran bestimmt maßgeblich die Schalldämpfungseigenschaften, wobei für Kraftfahrzeuganwendungen eine Dichte der aus einem Schaumkunststoff hergestellten schalldämpfenden Membran von 30 bis 150 kg/m³, vorzugsweise von 30 bis 80 kg/m³ und weiter bevorzugt von 45 bis 60 kg/m³ vorgesehen wird.
Unter Schalldämpfung wird definitionsgemäß eine Behinderung bzw. Verminderung der Schallausbreitung durch Absorption von Luftschall verstanden. Dabei wird in der schalldämpfenden Membran des erfindungsgemäßen Verbundmaterials der auftreffende Luftschall in seiner Energie vermindert, d. h. vornehmlich in Wärme umgewandelt.
Der mittlere Zeltdurchmesser der aus überwiegend geschlossenzelligem Schaumkunststoff hergestellten schalldämpfenden Membran liegt im Bereich von 0,5 bis 3 mm. Es wurde erfindungsgemäß herausgefunden, dass über eine Variation des durchschnittlichen Zeltdurchmessers auch eine Beeinflussung der Schalldämpfungscharakteristika möglich ist, insbesondere im Hinblick auf die Wirksamkeit der Schalldämpfung in bestimmten Frequenzbereichen des auftretenden Schalls.
Je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Verbundmaterials insbesondere innerhalb eines Kraftfahrzeuges muss je nach Fahrzeug mit zugehörigen Aggregaten zur Absenkung von Außen- oder Innengeräuschen individuell ein vom Fahrzeughersteller vorgegebenes Lastenheft erfüllt werden, wobei in der Regel nur geringe Bauräume für die Anbringung des erfindungsgemäßen schalldämmenden und -dämpfenden Verbundmaterials verfügbar sind.
Fahrzeuge mit heutigen und mehr noch mit zukünftigen Verbrennungsprinzipien benötigen schallabsorbierende Verbundmaterialien mit einem Schallschluckvermögen besonders im Frequenzbereich zwischen 300 bis 3.000 Hz, wobei der Bereich 300 bis 1.500 Hz für die sogenannte Motorrauhigkeit (Modulationen) Bedeutung hat.
In diesem eher mittleren Tonbereich finden bislang häufig Absorber nach dem Membranprinzip Anwendung, während Schallanteile im hohen Frequenzbereich etwa zwischen 2.000 und 10.000 Hz durch Materialeigenschaften der bisher eingesetzten Absorber abgemildert werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde nunmehr gefunden, dass durch das erfindungsgemäße Verbundmaterial gewünschte Schallabsenkungen sowohl im niedrigen Frequenzbereich zwischen 300 und 1.500 Hz wie auch im daran anschließenden Frequenzbereich bis etwa 10.000 Hz gleichermaßen besonders gute Absorptionseigenschaften erzielt werden können. Hierzu ist vorgesehen, dass die schalldämpfende Membran zumindest ausgehend von einer ihrer Oberflächen mittels einer Nadelung perforiert ist, wobei jedoch besonders bevorzugt ist, die schalldämpfende Membran ausgehend von beiden Oberflächen durchgängig durch diese hindurch zu perforieren. Hierzu werden bevorzugt Nadeln mit einer Perforationsdichte von 5 bis 100 Nadeln pro cm², vorzugsweise von 20 bis 50 Nadeln pro cm² vorgesehen, die beispielsweise auf Nadelwalzen angeordnet sein können, über die die Oberflächen der schalldämpfenden Membran geführt werden. Die hierbei eingesetzten Nadeln weisen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm auf.
Zur Herstellung eines solchen sowohl im tiefen wie auch hohen Frequenzbereich wirksamen Verbundmaterials wird zunächst das schalldämmend wirksame Trägermaterial, beispielsweise eine Motorraumabschottung aus einem Träger aus glasfaserverstärktem Polypropylen vorgesehen, der aufgrund seiner Oberflächengestaltung zumindest auf einer seiner Oberflächen mit vorstehenden Abstandshaltern versehen ist, z. B. geprägt oder tiefgezogen ist.
Auf diese Abstandshalter wird sodann die zuvor mittels Nadeln perforierte schalldämpfende Membran in punkt- oder linienförmigen Bereichen auf den Abstandshaltern z. B. mittels Ultraschallverschweißung oder ähnlichen Schweißverfahren befestigt.
Durch die sich ausbildenden Hohlräume bzw. Freiräume zwischen den Abstandshaltern, in denen die schalldämpfende Membran beabstandet vom Trägermaterial gehaltert ist, lässt sich das erfindungsgemäße Verbundmaterial nunmehr in gewünschter Weise zunächst im niedrigen Frequenzbereich von 300 bis etwa 3.000 Hz abstimmen, und zwar durch Variation der Volumina der einzelnen Freiräume und auch durch das Schwingungsverhalten der eingesetzten schalldämpfenden Membran, welches maßgeblich von deren Dicke, Dichte und durchschnittlichem Zeltdurchmesser geprägt wird.
Nach einer ersten Alternative wird hierzu eine in ebener Ausrichtung vorliegende schalldämpfende Membran aus Schaumkunststoff mit überwiegend geschlossenzelliger Schaumstruktur gemäß der Erfindung auf die Abstandshalter des Trägermaterials aufgebracht, um die Freiräume zu verschließen. Alternativ kann auch die schalldämpfende Membran selber geringfügig dreidimensional strukturiert sein, z. B. an den Verlauf des Trägermaterials und dessen Abstandshalter angepasst sein. Durch Variation der Wandstärke kann die jeweilige Absorptionseigenschaft der schalldämpfenden Membran zudem individuell angepasst werden.
Da das erfindungsgemäße Verbundmaterial bevorzugt in der vorangehend geschilderten Weise mit durchgehenden Perforationen versehen ist, wird zusätzlich auch der höhere Frequenzbereich zwischen 2.000 bis 10.000 Hz wirkungsvoll gedämpft, da die Perforationen den auf der schalldämpfenden Membran auftreffenden Schallwellen ein Durchdringen durch die Perforationen bis in die Freiräume zwischen Trägermaterial und schalldämpfender Membran ermöglichen. Hierbei strahlen die die Perforationen durchdringenden Schallwellen in einzelne beim Einbringen der Perforationen angestochene Zellen der schalldämpfenden Membran ein, was mit einem erheblichen Energieverlust einhergeht. Anschließend werden die in den Freiraum eintretenden und bereits abgeschwächten Schallwellen am Trägermaterial reflektiert und treten erneut in entgegengesetzter Richtung durch die Perforationen in der schalldämpfenden Membran hindurch, was mit weiterem Energieverlust verbunden ist. Somit wird der vom erfindungsgemäßen Verbundmaterial reflektierte Schall auch in diesem Frequenzbereich wirksam gedämpft.
Bei der Reflektion der bereits beim ersten Durchtritt durch die schalldämpfende Membran gedämpften Schallwellen am Trägermaterial kommt dessen schalldämmende Eigenschaft zum Tragen, die die weitere Schallausbreitung vermindert.
Überraschenderweise hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass bereits bei geringen Gesamtdicken des erfindungsgemäße Verbundmaterials, was für die Integration in die Kraftfahrzeugumgebung vorteilhaft ist, ebenbürtige oder sogar überlegene Schalldämpfungs- und -dämmungseigenschaften im Vergleich zu konventionellen Dämmmaterialien erreicht werden.
So ist es ausreichend, wenn die erfindungsgemäß vorgesehene schalldämpfende Membran eine Dicke von 1 bis 12 mm aufweist, so dass das gesamte Verbundmaterial eine Gesamtdicke von maximal 10 bis 15 mm aufweist. Hierbei ist die schalldämpfende Membran bevorzugt in den Freiräumen zwischen den Abstandshaltern in einem Abstand von 1 bis 5 mm von dem Trägermaterial angeordnet.
Das schalldämmende bzw. -dämpfende Verbundmaterial gemäß der Erfindung kann nicht nur zur Ausbildung einer Motorraumabschottung durch Fertigung von Formteilen zur Kapselung des Motorraumes eines Kraftfahrzeuges verwendet werden, sondern auch in verschiedenen anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, so z. B. bei Kofferraumauskleidungen, Türverkleidungen oder Hutablagen eines Kraftfahrzeuges. Auch Anwendungen außerhalb von Kraftfahrzeugen sind denkbar.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundmaterials werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial,
2 die Einzelheit X gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,
3 ein Versuchsdiagramm für einen Wirksamkeitsvergleich des erfindungsgemäßen Verbundmaterials mit dem Stand der Technik.
In der 1 ist ein Verbundmaterial mit schalldämmenden und -dämpfenden Eigenschaften z. B. für die Anwendung als Formteil zur Kapselung eines Motorraumes eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Verbundmaterial umfasst ein schalldämmendes Trägermaterial 1, welches in der gewünschten Form der Motorkapselung aus einem formstabilen glasfaserverstärkten Polypropylen hergestellt ist.
Charakteristisch für dieses Trägermaterial 1 ist es, dass dieses auf einer seiner Oberflächen vorstehende Abstandshalter 100 aufweist, die beispielsweise durch eine entsprechende Strukturierung oder Prägung des Trägermaterials 1 gebildet werden kön nen. Jeder dieser Abstandshalter 100 weist eine vorstehende Höhe über die übrigen Bereiche des Trägermaterials 1 von etwa 1 bis 5 mm auf.
Wie sich insbesondere aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 ergibt, ist auf die Abstandshalter 100 des Trägermaterials 1 eine schalldämpfende Membran 2 aufgelegt, die aus einem Schaumkunststoff, z. B. aus Polypropylen mit überwiegend geschlossenzelliger Zellstruktur und einem durchschnittlichen Zelldurchmesser von 0,5 bis 3 mm ausgebildet ist. Auf der in 2 mit Bezugsziffer 23 gekennzeichneten Unterseite ist die schalldämpfende Membran 2 mit den jeweiligen Abstandshaltern 100 im Bereich ihrer freien Enden 102 verschweißt, beispielsweise durch eine Ultraschallverschweißung.
Demzufolge werden zwischen den einzelnen Abstandshaltern 100 des Trägermaterials 1 Freiräume 101 gebildet, die von der auf den Abstandshaltern 100 beabstandet aufliegenden schalldämpfende Membran 2 verschlossen sind. Entsprechend der vorangehend bereits erwähnten Höhe der Abstandshalter 100 ist somit die schalldämpfende Membran 2 in den Freiräumen 101 zwischen benachbarten Abstandshaltern 100 in einem Abstand von 1 bis 5 mm von dem Trägermaterial 1 beabstandet.
Zur Schaffung einer guten Schalldämpfung ist darüber hinaus die schalldämpfende Membran 2 von ihrer dem Trägermaterial 1 zugewandten Oberfläche 23 ausgehend und auch ausgehend von ihrer entsprechend gegenüberliegenden Oberfläche 22 mit durch die Membran 2 durchgängig verlaufenden Perforationen 20 versehen, die vor der Verbindung mit dem Trägermaterial 1 durch eine Nadelung der schalldämpfenden Membran 2 mittels Nadelwalzen ausgehend von beiden Oberflächen 22, 23 derselben eingebracht worden sind. Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung der verwendeten Nadeln wird hierbei eine Perforationsdichte im Bereich von etwa 5 bis 100 Perforationen pro cm² vorgesehen, vorzugsweise 20 bis 50 Perforationen pro cm², wobei der verwendete Nadeldurchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm liegt.
Durch diese Nadelung der schalldämpfenden Membran 2 wird sichergestellt, dass Perforationen 20 auch durch im Innern der schalldämpfenden Membran 2 befindliche Zellen 21 verlaufen, so dass diese nachträglich geöffnet werden.
Wenn nun dieses vorangehend erläuterte Verbundmaterial z. B. für Schalldämmungs- und -dämpfungsaufgaben innerhalb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden soll, so wird dieses so angeordnet, dass die schalldämpfende Membran 2 bevorzugt der Schallquelle zugewandt ist, so dass ankommende Schallwellen zunächst auf der freien Oberfläche 22 der schalldämpfenden Membran 2 auftreffen. Tieffrequente Schallwellen werden hierbei durch die oberhalb der Freiräume 101 möglichen elastischen Schwingungen der schalldämpfenden Membran 2 weitgehend kompensiert, während hochfrequente Schwingungen oberhalb etwa 2.000 bis 10.000 Hz zunächst durch die Perforationen 20 in der schalldämpfenden Membran 2 hindurchtreten und in von den Perforationen 20 geöffnete Zellen 21 abgelenkt werden, so dass sie an Energie verlieren. Der aus der Perforation 20 im Bereich der dem Trägermaterial 1 zugewandten Oberfläche 23 austretende Restschall wird nachfolgend an der Oberfläche des Trägermaterials 1 reflektiert und in Richtung auf die schalldämpfende Membran 2 zurückgeworfen und tritt erneut ausgehend von der Oberfläche 23 in die Perforationen 20 der schalldämpfenden Membran 2 ein, wo es zu weiterem Energieverlust kommt.
Somit bietet das erfindungsgemäße Verbundmaterial sowohl im tieffrequenten Frequenzbereich zwischen 300 bis 3.000 Hz als auch im darüberliegenden hochfrequenten Frequenzbereich bis 10.000 Hz hervorragende Schalldämmungs- und -dämpfungseigenschaften.
Aus der in der 3 wiedergegebenen Diagrammdarstellung ist über einem Frequenzspektrum von 0 bis 10.000 Hz eine äquivalente Absorptionsfläche in m² aufgetragen, wie sie beispielsweise bei Motorkapseln mit Hitzeschildern für eine Fläche von 1,2 m² repräsentativ ist.
Die gestrichelte Kurve A zeigt hierbei eine Vorgabe eines Automobilherstellers, während die Kurve B die erreichbare Schalldämpfung eines Serienbauteiles mit üblichem Absorberkonzept zeigt.
Die Kurve C zeigt die mit dem vorangehend erläuterten Verbundmaterial erzielbare Absorption, die sowohl die Vorgaben der Automobilhersteller, wie auch die mit den herkömmlichen Materialien erreichbaren Schalldämmungen und -dämpfungen bei Weitem übertrifft.
Hierbei weist das eingesetzte Verbundmaterial eine Gesamtdicke von etwa 10 bis 15 mm auf.
In einem Ausführungsbeispiel eines derartigen Verbundmaterials ist eine Gesamtdicke von 13 mm für das Verbundmaterial vorgesehen, wobei die eingesetzte schalldämpfende Membran, welche üblicherweise eine Dicke von 1 bis 12 mm, vorzugsweise 3 bis 8 mm aufweist, in diesem Beispiel eine Gesamtdicke von etwa 6 mm aufweist und in einem Abstand von etwa 3 mm über dem Trägermaterial im Bereich der Freiräume 101 angeordnet ist.

Claims

Schalldämmendes und -dämpfendes Verbundmaterial, umfassend a) ein formstabiles Trägermaterial (1), welches zumindest auf einer seiner Oberflächen (10) mit vorstehenden Abstandshaltern (100) versehen ist, und b) eine schalldämpfende Membran (2), die in punkt- oder linienförmigen Bereichen auf den Abstandshaltern (100) des Trägermaterials (1) befestigt ist, so dass zwischen den Abstandhaltern Freiräume (101) gebildet sind, in denen die schalldämpfende Membran (2) beabstandet vom Trägermaterial (1) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) aus einem Schaumkunststoff mit überwiegend geschlossenzelliger Schaumstruktur auf Basis thermoplastischer Kunststoffe hergestellt ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) aus einem Schaumkunststoff auf Basis von Polypropylen hergestellt ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) eine Dichte von 30 bis 150 kg/m³ aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) aus einem Schaumkunststoff mit einem mittleren Zelldurchmesser von 0,5 bis 3 mm hergestellt ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) ausgehend von zumindest einer ihrer Oberflächen mittels Nadelung perforiert ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) ausgehend von beiden Oberflächen durchgängig perforiert ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) mit einer Perforationsdichte von 5 bis 100 Perforationen pro cm² perforiert ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) mittels Nadeln eines Durchmessers von 0,1 bis 1 mm perforiert ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) eine Dicke von 1 bis 12 mm aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) in den Freiräumen (101) zwischen den Abstandshaltern (100) in einem Abstand von 1 bis 5 mm von dem Trägermaterial (1) angeordnet ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gesamtdicke von 10 bis 15 mm aufweist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die schalldämpfende Membran (2) dreidimensional strukturiert ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) aus glasfaserverstärktem Polypropylen hergestellt ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) und die schalldämpfende Membran (2) im Bereich der Abstandshalter (100) miteinander verschweißt sind.
Formteil zur Kapselung eines Motorraumes eines Kraftfahrzeuges, hergestellt aus einem Verbundmaterial gemäß den vorhergehenden Ansprüchen.