Mehrschichtiges Formteil
Die Erfindung betrifft ein der unteren Abdeckung von Fahrzeug-Bodenbereichen oder -Radhäusern geeignetes mehrschichtiges Formteil. Formteile dieser Art werden eingesetzt, um die Karosserie vor aufgewirbelten Steinen sowie Spritzwasser zu schützen und den Lärmpegel im Fahrzeuginnenraum sowie Außenbereich zu vermindern.
Bei der Fahrt auf geschotterter Straße und auf nasser Fahrbahn werden Steine und/oder Wassertropfen durch die Reifen mitgerissen und mit hoher Geschwindigkeit gegen die Fahrzeugkarosserie geschleudert. Dadurch wird einerseits die Lackierung des Fahrzeugs im Unterbodenbereich beschädigt, so dass die Karosserie korrodieren kann. Des weiteren führt die Energieübertragung der Steine auf die Karosserie zu einer breitbandigen, impulsartigen Schwingungsanregung (Körperschall) der Karosserie, welche als Prasselgeräusch in den Innenraum des Fahrzeugs oder außerhalb davon abgestrahlt wird.
Bisher gebräuchliche Verkleidungen des Radlaufs und des Unterbodens werden typischerweise aus Kunststoffen gefertigt und dienen im wesentlichen nur dem Schutz der Karosserie vor auftreffenden Steinen. Durch den hartschali- gen, massiven Aufbau wird die Vibrationsenergie beim Aufprall von Steinen oder Wassertropfen nicht in Wärme umgewandelt sondern als Luftschall entweder direkt vom Bauteil oder nach Körperschallübertragungen von der Karosserie abgestrahlt. Sonstiger Lärm im Unterbodenbereich, z.B. durch Rollgeräusche oder durch Emissionen vom Abgasstrang, wird von hartschaligen Verkleidungen unvermindert reflektiert.
Aus der EP-A-222 193 ist ein als Radhausauskleidung dienendes Formteil der hier betroffenen Art bekannt. Der Schichtaufbau umfasst eine Doppelschicht, bestehend aus einer Vliesmaterialschicht und einer Kunststofffaserschicht. Diese beiden Schichten sind durch Vernadeln miteinander verbunden. Nach dem Vernadeln wird die Doppelschicht durch Warmverformung zu einer stabilen, der Kontur des Radhauses angepassten Schale geformt. Die durch Vernadeln verbundene Kunststofffaser-Vlies-Doppelschichtschale ist nach ihrer Verformung insgesamt relativ stabil bzw. hart, so dass sie die Kundenforderungen nach einer effizienten Geräuschminderung nicht optimal erfüllen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formteil der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die Luftschallabsorption verbessert ist und Körperschallanregungen minimiert sind. Außerdem sollen Bauteile der erfindungsgemäßen Art einfacher herstellbar sein.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Der wesentliche Vorteil des mehrlagigen Aufbaus nach der Erfindung besteht darin, dass die kinetische Energie aufprallender Projektile (Steine, Wassertropfen u.dgl.) auf ein großes federndes Volumen verteilt und bedämpft wird. Das gesamte Bauteil bewirkt bei niedrigem Gewicht eine effiziente Geräuschminderung, und zwar sowohl bei der Anregung durch Proj ektile, als auch beim Abrollgeräusch. Während das Außengeräusch bei relativ harten Schalen reflektiert und wieder abgestrahlt wird, kann die Schallenergie beim erfindungsgemäßen Formteil maßgeblich im Feder-Masse-System deponiert werden, das von der relativ dicken Federschicht und der bzw. den radseitigen Deckschichten gebildet wird, so dass sie darin dissipiert. Darüber hinaus erfolgt die Absorption von hochfrequentem Schall im Deckvlies und von tieffrequentem Schall im Gesamtsystem.
Auch die Herstellung eines Formteiles nach der Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht. Es ist nicht mehr erforderlich, vor der Verformung des Bauteils in einem separaten Arbeitsgang eine vernadelte Doppelschicht herzustellen. Während eines einzigen Arbeitsganges kann neben der Verbindung und Verformung des Schichtaufbaues auch noch eine lokale Ver- pressung, z.B. im Bereich der Kanten, durchgeführt werden. Dadurch wird erreicht, dass die innere Federschicht völlig versiegelt ist, für Wasser und Schlamm zugängliche Hohlräume also nicht mehr entstehen können. Ein De- laminieren des Schichtaufbaues ist zuverlässig verhindert.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 12 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen Varianten des Schichtaufbaues für ein Form- bzw. Bauteil 1 nach der Erfindung. Zur Kennzeichnung der Lage ist j eweils ein Rad 2 angedeutet.
In den Figuren 1 bis 4 ist die relativ dicke, von Deckschichten 4, 5 (bzw. 8) eingeschlossene Federschicht mit 3 bezeichnet. Die jeweils fahrzeugseitige Schicht 4 ist eine ausreichend dicke (ca. 500 μ) thermoplastische oder duroplastische Deckschicht (z.B. ausPolypropylenfolie oder beharztem PES- Vlies), die nicht nur die Funktion der Versiegelung hat sondern auch mechanische Stabilität in das Bauteil 1 einbringt und als Basis für die Montage dient.
Bei der Ausführung nach Figur 1 ist radseitig die Schicht 5 vorgesehen. Es handelt sich beispielsweise um eine Folie aus Thermo- oder Duroplasten, deren wesentliche Aufgabe in der Aufnahme und Verteilung der Aufprallenergie
besteht. Diese Folie ist so dünn (z.B. l OOμ), dass eine Körperschallanregung durch eine makroskopische Verformung nicht stattfindet. Lokale Biegungen in der Folie werden durch die innere Federschicht 3 abgefedert und bedämpft. Des weiteren bildet diese Folie einen Schutz für die innere Schicht 3 und erhöht Formtreue sowie Stabilität des Gesamtaufbaues.
Bei der Ausführung nach Figur 2 ist die Schicht 5 radseitig abgedeckt, und zwar mit einem relativ dünnen Polyestervlies mit einem Flächengewicht in der Größenordnung von 100g/m2. Diese Schicht 6 hat bereits die Wirkung, Steine, Wassertropfen etc. abzubremsen, so dass die Schicht 5 nur die noch verbleibende Aufprallenergie aufnehmen und auf die Federschicht verteilen muss. Wesentlich sind weiterhin die Absorption von hochfrequentem Schall, die Schutzwirkung der dahinter befindlichen Schicht und das verbesserte Handling des Bauteiles.
Die innere Schicht 3 mit einem Flächengewicht in der Größenordnung von 300 g/m2 fungiert als Feder für die von der vorigen Lage eingebrachte Schwingung. Sie kann zur Verbesserung der Federeigenschaften genadelt sein.
Bei der Ausführung nach Figur 3 hat eine nach Art der Deckschicht 4 ausgebildete Schicht 8 die Funktion der Schichten 5, 6 nach Figur 2.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist auch auf der dem Rad 2 abgewandten Seite des Bauteils 1 eine Abdeckschicht 9 vorgesehen. Zweckmäßig besteht sie aus dem gleichen Werkstoff wie die radseitige Schicht 6. Sie verbessert die hoch-frequente Absorption und hat sich für das Handling der erweichten Folie 4 als zweckmäßig erwiesen.
Bei allen Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 4 ist die jeweils radseitige Schicht 5 bzw. 8 so ausgebildet, dass Wasser- und/oder Schlammaufnahmen vermieden sind. Die Absorption von Luftschall erfolgt im wesentlichen durch die innere Schicht 3 , die wegen der Deckschichten vor einer Wasseraufnahme geschützt ist.
Figur 5 zeigt schematisch ein für ein Radhaus bestimmtes Formteil 1 nach der Erfindung, auf dem außen ein funktionserweiterndes Element 10 aufgebracht ist. Derartige lokal aufgebrachte und lokal wirksame Schichtabschnitte 10 sind beispielsweise im Bereich von Durchbrüchen zum Motor (schematisch in Figur 5 angedeutet und mit 1 1 bezeichnet) oder in der Nähe der Abgasführung zweckmäßig. Beispielsweise kann ein Schwerfolienabschnitt lokal die Dämmung erhöhen, ein Folienabsorber die Absorption und eine Aluminiumfolie den Hitzeschutz verbessern. Geeignete zusätzliche Folienabschnitte können schließlich auch noch die Strapazierfähigkeit erhöhen und/oder die Reinigung vereinfachen.
Figur 5 zeigt noch, dass das Bauteil 1 mit einer T-Struktur 12 ausgerüstet ist. Es umfasst die radseitige Verlängerung 12a und den darauf senkrecht stehenden Abschnitt 12b. Weiter unten wird noch der Zweck des T-Stückes 12 beschrieben.
Als Werkstoff für die Abdeckschichten 4,5 bzw. - vliese 6, 9 können Polyester (PES), Polypropylen, Polyethylen oder Kohlefaser eingesetzt werden. A- kustisch besonders wirksam ist ein Abdeckvlies mit einem Flächengewicht 9 von ca. 50 bis ca. 200 g/m , vorzugsweise ca. 120 g/m .
Für die akustische Wirkung des Feder-Masse-Systems sind die Eigenschaften der Schichten 3 und 5 (Werkstoff, Dicke) besonders relevant. Folgende Materialien können für die Schicht 5 eingesetzt werden: Polypropylen, Polyethy- len, Polyester, Polyurethan, EPDM, Kautschuk, Thermoplaste mit ähnlichen Eigenschaften - sämtlich neu oder recycelt - oder auch Mischungen der genannten Materialien. Sie haben geeignete chemische Eigenschaften und ein relativ niedriges Gewicht. Die Dicke der Schicht 5 beträgt zweckmäßig 100 bis 500μm, vorzugsweise 150 bis 250μm.
Wie bereits erwähnt, besteht die dem Rad 2 abgewandte Deckschicht 4 aus dem gleichen Material wie die Deckschicht 5. Ihre Dicke ist größer als die Dicke der Deckschicht 5 , und zwar 200 bis l OOOμm, vorzugsweise 300 bis 600μm.
Die Schicht 3, die zweckmäßig gute Feder- und Absorptionseigenschaften haben soll, kann aus einem Vlies oder auch aus einem Schaum bestehen. Als Vliesmaterialien können Polyester, Polypropylen, weitere Thermoplaste mit ähnlichen Eigenschaften, Baumwolle, Zellulose, Mineralwolle oder Mischungen dieser Materialien eingesetzt werden. Das Vlies kann als Lagenvlies oder als Blasvlies ausgelegt sein. Auch die Verbindungstechnik hat Einfluss auf die gewünschten Wirkungen. Zweckmäßig ist die Verwendung eines Nadelvlieses, eines Thermobondingvlieses oder einer Mischung von beiden.
Härte und Federkraft der Schicht 3 werden vorgegeben durch
a) den Titer der eingesetzten Fasern, der das Gewicht der Einzelfaser angibt und ein Maß für die Faserdicke und somit für die Federkraft darstellt. In der Praxis werden Kombinationen unterschiedlicher Titer eingesetzt, um sowohl Flausch (Mikrofaser) als auch Rückstellkraft (borstenartig) zu er-
halten.
I _ b) Geometrie der Fasern (Kräuselung, Querschnittsverteilung)
c) Orientierung der Fasern
d) den Anteil an Bikomponenten-Fasern (BIKO), die bei thermisch gebundenen Vliesen durch Aufschmelzen der einen Komponente den Verbund innerhalb des Vlieses herstellen. Typisch ist ein BIKO-Anteil zwischen 0 und 40%, vorzugsweise 20%
e) den Titer der BIKO-Fasern, der typischerweise zwischen 1 und 20 dtex, vorzugsweise 6,6 dtex, liegt, aber im Extremfall auch bis 120 dtex oder <1 dtex betragen kann.
Das Gewicht der Vliesschichten liegt zweckmäßig zwischen 200 und 600 g/m2, vorzugsweise beträgt es etwa 300 g/m2.
Als Federschicht 3 einsetzbare Schaumschichten bestehen zweckmäßig aus Polyurethan, Polyethylen, EVA oder Thermo-/Duroplasten.
Schließlich kann Bestandteil der Federschicht 3 auch Gas, zweckmäßig Luft, sein. Voraussetzung für diese Lösung ist, dass die Deckschichten 4 und 5 eine abgeschlossene Tasche bilden, die die Luftschicht umschließt. Der von den Deckschichten 4 und 5 gebildete Hohlraum enthält beispielsweise als Feder eine Vlies- oder Schaumschicht und Luft. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das erfindungsgemäße Bauteil 1 bei geeigneter Geometrie nur aus zwei Deckschichten 4, 5 und einer gasförmigen Federschicht 3 besteht. We-
sentlich ist, dass das deckschichtbegrenzte Luftkissen die nötige Federkraft hat.
Die Eigenschaften (insbesondere Stabilität und Wirksamkeit) des erfindungsgemäßen Bauteils oder Formteils 1 sind abhängig von ihrem Gewicht. Das Gewicht ist deshalb dem Einsatz entsprechend zu wählen. Zweckmäßige Ge- wichte liegen zwischen 400 und 2000 g/m .
Ein erfindungsgemäßes Formteil kann beispielsweise aus Bahnen in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Durch den Einsatz der relativ dicken Federschicht können die Dicke des Bauteiles 1 und damit seine lokalen mechanischen und akustischen Eigenschaften durch die Form des Werkzeuges und den Verpressungsgrad variiert werden. Beispielsweise können die Kanten des Bauteiles 1 derart verpresst werden, dass keine Hohlräume entstehen, die innere Federschicht 3 also vollständig versiegelt ist.
Die Stabilität des Bauteils wird durch den Einsatz mehrerer Lagen entscheidend erhöht, da der Sandwichverbund wie ein Doppel-T-Träger wirkt. Eine weitere Erhöhung der Stabilität kann durch den Folienabstand und eine Strukturierung des Bauteils erreicht werden. Die Optimierung von Stabilität und akustischer Wirksamkeit ist nur beim erfindungsgemäßen Formteil 1 möglich. Ein vergleichbares Serienbauteil, das dem Stand der Technik entspricht (Trilaminat) ist bei geringerer Wirksamkeit schwerer und weist durch die tragende Kunststoffschicht in der Mitte des Aufbaus eine deutlich geringere Stabilität auf. Die Dicke des mehrschichtigen Formteils nach der Erfindung variiert zwischen ca. 1mm (durchverpresst) und 10mm und liegt typischerweise zwischen 3 und 6mm.
Die Figuren 6A und 6B lassen eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Bauteiles 1 sowie Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile erkennen.
Figur 6A zeigt schematisch ein Halbzeug 13 , das eine mittlere Schicht 14 und zwei darauf kaschierte Abdeckschichten 15, 16 umfasst. Die mittlere Schicht 14 entspricht in Bezug auf ihre Eigenschaften den Deckschichten 4, 5 eines erfindungsgemäßen Formteiles. Die Schichten 15 und 16 entsprechen den Schichten 6, 9 eines erfindungsgemäßen Bauteiles.
Vorteilhaft bei der Fertigung von Bauteilen 1 aus derartigen Halbzeugen 13 ist das vereinfachte Handling im Vergleich mit den reinen individuellen Materialien. Eine z.B . beidseitig mit Vlies kaschierte Deckschicht lässt sich besser durch Kontakt erwärmen, ohne die Heizplatten zu verkleben, und hängt beim Erweichen nicht durch.
Mehrlagige Formteile 1 können durch Falten des Halbzeuges 13 hergestellt werden. Die Pfeile 17 in Figur 6A deuten einen Faltvorgang an, der bei der Ausführung nach Figur 6B abgeschlossen ist. Bei der in Figur 6B dargestellten Ausführungsform liegen die Schichtsysteme des Halbzeuges 13 mit Abstand übereinander und bilden einen Hohlraum 1 8. In diesem Hohlraum können sich eine Luftschicht (wie dargestellt), eine Vlies-/Schaumschicht oder eine Kombination von Luft- und Vlies-/Schaumschicht befinden. Diese Schichten bilden die Federschicht 3 des Bauteiles 1. Die Schicht 14 bildet die Deckschichten 4 bzw. 5. Die beiden Schichtsysteme müssen jedoch nach dem Falten nicht unbedingt einen Hohlraum bilden. Sie können aufeinander gelegt werden. Die beiden einander anliegenden und entsprechend ausgebildeten Abdeckschichten 15 bilden bei dieser Ausführung die Federschicht 3.
Schematisch angedeutet ist in Figur 6B, dass das Bauteil 1 in seinem Randbereich derart dicht verpresst ist, dass im Hohlraum 18 befindliche Luft nicht entweichen kann. Die Ausbildung des Bauteiles 1 als Luftkissen ist dadurch möglich. Zur Herstellung eines Bauteiles dieser Art sind die Abdeckschichten
, 15, 16 nicht unbedingt erforderlich. In diesem Fall besteht das erfindungsgemäße Bauteil nur aus einem Luftkissen, das durch die Deckschichten 4, 5 begrenzt ist. Bei der Herstellung dieser Lufttasche wird zweckmäßig das Blasform-Verfahren angewendet.
Die Verformung erfindungsgemäßer Formteile 1 erfolgt durch Anwendung von Druck und/oder Wärme. Während des Press-/Abkühlvorganges kann das federnde / absorbierende Volumen durch Aufblasen mit Luft vergrößert werden, wodurch die akustische Wirkung verbessert und eine Faltenbildung der dem Rad zugewandten Folie verhindert wird. Beim Blasform-Verfahren wird eine Pressluftdüse durch eine Aussparung in der Dichtkante des Presswerkzeuges oder ein Loch in der Deckschicht mit in die Federschicht 3 eingeführt. In Figur 6B ist eine Düse dieser Art dargestellt und mit 19 bezeichnet. Die entstehende Öffnung kann nachträglich verpresst oder auf Wunsch auch als Ablauf genutzt werden. Durch ein entsprechendes Design des Loches (Strömung, Querschnitt) ist auch eine Optimierung der Federeigenschaften des Bauteils möglich (Luftpumpen-Effekt).
Faltenwurf und Beulenbildung im Bauteil lassen sich auch durch Vorspannen des Materials verhindern. Dadurch wird aus dem Pressen teilweise ein Tiefziehen. Im Extremfall ist auch ein Vakuum-Tiefziehen möglich.
Die Ausbildung der Randbereiche erfindungsgemäßer Bauteile 1 lassen die Figuren 7, 8, 9 erkennen. Ihre Kanten 21 sind sämtlich hartverpresst. Verhindert werden muss, dass diese hartverpressten Bereiche (zur Dichtung und aus Stabilitätsgründen als Randbegrenzung erforderlich) an der Karosserie scheuern, die aufgebrachte Schutzschicht zerstören und dadurch Korrosionen des Fahrzeugs verursachen. Ein Kontakt zwischen hartverpressten Kanten 21 und der Karosserie lässt sich auf verschiedene Weise verhindern:
a) Abpolstern der Kanten durch Aufbringen einer Isolierschicht, z.B . Schaum oder Kautschuk- bzw. Harzmasse.
b) Aufbringen einer separaten Schutz- bzw. Abdeckleiste 22, z.B. aus Gummi (Kedaband), Figur 7.
c) Geschickter Beschnitt des Bauteils, so dass außerhalb des hartverpressten Randbereichs die Schichten 4, 5, 6, 9 entfernt werden und das weiter herausgeführte Vlies 3 selbst ein Polster bildet (Figur 8).
d) Luftballon-artiges Polster 23 , durch Anwendung des Blasform-Verfahrens oder durch Tiefziehen.
Um Bauteile der erfindungsgemäßen Art vielseitiger verwendbar zu machen ist es zweckmäßig, diese in Randbereichen mit T-Strukturen der in Figur 5 dargestellten Art auszurüsten. Aufgaben des T-Stückes sind beispielsweise die Integration von Spoilern zur Aerodynamik oder von Schmutzfängern. Außerdem kann mit einem T-Stück die Befestigung des Bauteils durch Anbin- dung an den Unterboden vereinfacht werden. Bisher ließen sich solche abgeklappten Bereiche nur bei Spritzguss-Bauteilen realisieren. Textile Formteile gemäß dem Stand der Technik mussten mit separaten (zugekauften) Anbau- teilen ergänzt werden.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen, dass T-Ansätze auch bei mehrlagigen Formteilen nach der Erfindung auf verschiedene Weisen realisiert werden können:
a) Durch Umlegen und Hartverpressen des Materials (Figur 10).
b) Durch Aufklappen des Materials und Einlegen zusätzlicher Folien/Vliese in „Schwalbenschwanz-Geometrie" (Figur 1 1).
c) Durch „Herausziehen" der Oberfolie, wodurch insbesondere auch z.B . Kabelhalter und ähnliche Funktionen integriert werden können (Figur 12).