WO2002045954A2 - Mehrschichtiger formkörper mit lokal begrenzten verstärkungselementen - Google Patents

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WO2002045954A2
WO2002045954A2 PCT/EP2001/013893 EP0113893W WO0245954A2 WO 2002045954 A2 WO2002045954 A2 WO 2002045954A2 EP 0113893 W EP0113893 W EP 0113893W WO 0245954 A2 WO0245954 A2 WO 0245954A2
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    • Y10T428/31692—Next to addition polymer from unsaturated monomers

Definitions

  • Multi-layer molded body with locally limited reinforcement elements
  • the present invention relates to multi-layer molded articles composed of two outer metallic layers and at least one intermediate layer, processes for their production and use of these molded articles.
  • Multilayer moldings and methods for producing multilayer moldings are widely used wherever it is important to use specifically light structures with a high level of strength and / or rigidity.
  • the lightweight construction with increasingly thin sheet thicknesses reaches its limits especially where geometrically due to reduced cross-sections of the components, the rigidity of which no longer meets the requirements for usability.
  • the route via lighter or structurally stronger metals is also only pursued to a small extent for reasons of production technology and price, since the forming behavior is less favorable than normal steel sheets, and higher tool costs can also occur.
  • these materials have so far been used only to a limited extent, since these materials have less favorable properties than the conventional materials in terms of energy absorption and material failure in the event of a crash.
  • plastics have a low specific weight, they have so far not been able to achieve the performance level of metallic materials by far, and are therefore not used today in the area of structurally stable and load-bearing components.
  • a metal / thermoplastic / metal laminate which has a basis weight below 9.76 kg / m 2 and which is made of a thermoplastic core material based on partially crystalline polyamides or polyester with a crystalline melting point> 130 ° C consists of and a metal layer laminated on both sides of the core material, the metal layer having a melting point above the crystalline melting point of the thermoplastic core layer and the metal layer having a minimum thickness of 0.0127 mm.
  • the construction industry, appliance industry, automotive industry and aircraft construction are specified as use for these sandwich materials.
  • US-A-4759994 describes a sandwich-like structure consisting of two outer metal plates and an inner core between the two outer plates.
  • the core consists of a metallic network or grid.
  • This sandwich structure has an adhesive layer between the metal plates, which connects the two plates and the core to one another, which improves the punching behavior.
  • the adhesive should only be inside the latticework of the core material, while the contact zones between the core and metal plates should remain adhesive-free in order to enable the composite material to be weldable.
  • DE 19729566 C2 describes a metal composite panel with two outer sheets which are kept at a distance by elevations of a lightweight structural panel arranged therebetween, the lightweight structural panel and the outer panels being connected to one another at the elevations by soldering, welding or gluing.
  • An expanded metal is proposed as a lightweight structural panel.
  • EP-A-895852 describes a multi-layer steel sandwich structure consisting of two metal plates which are laminated to a core. This core is made of stainless steel wool. The sandwich structure is achieved by soldering, welding or gluing. Phenolic resins, epoxy resins or polyethylene or polypropylene-maleic anhydride copolymers are proposed as adhesives.
  • DE-A-3905871 discloses a composite material for thermal insulation and / or sound absorption that has a structurally stable covering layer made of a thermally stable metal foil on at least one side.
  • a thermally resistant, highly porous, inorganic material is proposed as the insulation layer, for example foamed glass with a sponge-like structure or gas concrete or foamed ceramic or clay mineral materials. Exhaust areas of an automobile are proposed as an application for this composite material in the automotive sector.
  • WO 00/13890 describes glued multilayer composite panels and methods for producing multilayer composite panels which consist of two outer metal plates which serve as upper and lower base plates and which are bonded to a deformable connecting intermediate layer.
  • the deformable web material lying in the intermediate layer is connected to the cover and base plate by means of a foaming adhesive which fills the cavities remaining in the composite.
  • the web material lying between the metal plates can consist of an expanded metal mesh, a wire mesh or a web plate and it can include a multi-layer sequence of expanded metal meshes, wire meshes, web plates with intermediate plates that are impermeable or permeable to the adhesive.
  • suitable compositions of the adhesive in this document.
  • EP 636517 B1 discloses a production method for a vehicle body part, at least in some areas, having a double sheet metal structure with an insulating layer in between.
  • the base plate and the cover plate of the double-sheet structure are first fixed to one another with the interposition of an insulation layer and then formed together, in particular deep-drawn.
  • a suitable insulation layer material should only be placed on selected surface sections of the flat base plate and a flat cover plate extending over a larger surface section is placed thereon, the insulation layer initially being sufficiently pressure-stable in the edge region to withstand the deformation.
  • the insulation layer material is to be glued to the base plate and the cover plate, the adhesive required for the gluing being applied by foil, sealing cord, rolling / rolling, spray film, adhesive beads or drops.
  • the object of the invention can be seen from the claims, it essentially consists in the provision of multilayered molded articles from two outer metallic layers and at least one intermediate layer, in which the entire surface of the laminated article has an anisotropic structure.
  • Another object of the present invention is a method for producing such multilayer molded articles and the use of multilayer laminates or molded articles for producing components in automobile construction.
  • the two outer metallic layers of the multi-layer molded body are usually metal sheets. These sheets can be normal steel sheets, but they can also be steel sheets refined by the various galvanizing processes, such as the electrolytically or hot-dip galvanized sheets and the corresponding thermally post-treated or galvanized or subsequently phosphated steel sheets and aluminum sheets.
  • the thickness of these outer sheets can be adapted to the structural conditions. It can be between 0.1 and 1.0 mm, preferably between 0.1 and 0.5 mm, preferably between 0.2 and 0.3 mm.
  • the intermediate layer consists of a polymeric binder composition and the reinforcing elements anisotropically distributed therein.
  • the binder of the intermediate layer can be selected from a variety of thermoplastic polymers or from reactive binders.
  • thermoplastic polymers are polyethylene, polypropylene, polyamide, polystyrene, styrene copolymers such as e.g. Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) or thermoplastic elastomers based on block copolymers of styrene with butadiene or isoprene, optionally also in their hydrogenated form, both preferably as three-block copolymers.
  • ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene
  • thermoplastic elastomers based on block copolymers of styrene with butadiene or isoprene optionally also in their hydrogenated form, both preferably as three-block copolymers.
  • thermoplastic polymers to be used according to the invention for the intermediate layer are vinyl chloride homo- and / or copolymers - e.g.
  • Vinyl chloride / vinyl acetate copolymers, ethylene-vinyl acetate copolymers (EVA), polyester or polycarbonate Particularly suitable as reactive binders are those based on epoxy resins, reactive rubbers or polyurethanes.
  • epoxy resin - binder composition are a variety of - preferably flexible - epoxy compositions.
  • the compositions mentioned in EP-A-354498, EP-A-591307, WO 00/20483, WO 00/37554 and the as yet unpublished applications DE 10017783.2 and DE 10017784.0 may be mentioned as examples.
  • the binder compositions to be used according to the invention contain at least one epoxy resin, a flexible epoxy compound, elastomer-modified Epoxy resin and possibly a reactive thinner and usually a latent hardener, which causes the crosslinking of the binder when the compositions are heated.
  • compositions of natural and / or synthetic rubbers i.e. elastomers containing olefinic double bonds
  • vulcanizing agents are suitable as the binder matrix based on reactive rubbers. These contain at least one of the following substances: one or more liquid rubbers and / or solid rubbers or elastomers, finely divided powders made of thermoplastic polymers, vulcanizing agents, vulcanization accelerators, catalysts, fillers, tackifiers and / or adhesion promoters, blowing agents, extender oils, anti-aging agents, rheology aids.
  • Suitable binders are e.g. described in WO 96/23040.
  • thermosetting binders In addition to the aforementioned one-component thermosetting binders, two-component epoxy, rubber or even polyurethane binders which cure at room temperature can also be used.
  • the anisotropically distributed reinforcing elements of the intermediate layer can be constructed from conventional metal sheets, hardened metal alloys, multi-phase steels, aluminum, expanded metals, organic foams based on epoxides or polyurethanes, which may be fiber-reinforced, or other plastics. These reinforcing elements are preferably arranged at those locations to which the molded body is exposed to high structural loads or forces. These reinforcement elements are already installed during the production of the multilayered molded article as a semi-finished product ("multilayer laminate") in such a way that they are later present exactly at the points of the construction or component where the particularly high structural loads or forces act on the component , These reinforcement elements are preferably tailored in their geometric shape specifically to the load case.
  • the multilayer molded articles according to the invention can additionally contain functional built-in elements such as Cable channels included. This procedure is particularly useful when these moldings are to be used as roof structures or underbody groups in vehicle construction.
  • Figure 1 shows the general structure of an anisotropic multilayer laminate
  • FIG. 2 shows the additional installation of functional elements
  • Figure 3 shows the exemplary structure of a hood
  • Figure 4 shows an embodiment of a weldable component.
  • the two outer metal layers (M1) and (M2) are metal sheets with a thickness of 0.1 to 1.0 mm.
  • the intermediate polymer layer (P) usually has a layer thickness of 0.3 to 5.0 mm, its thickness depends on the intended use of the component made from the multilayer laminate. All of the aforementioned types of polymers can be used as polymers.
  • the thicker reinforcing element (V1) is arranged at a point where the greatest force (F1) is expected later in the component.
  • the reinforcing element (V2) is located at a point where a lower force (F2) will act. No reinforcement element is provided in places with even less force (F3).
  • FIG. 2 also shows the installation of a functional element, for example a channel (K) for receiving electrical cables.
  • a functional element for example a channel (K) for receiving electrical cables.
  • the remaining structural components of this laminate correspond to the elements shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an exemplary schematic structure of a bonnet in a top view.
  • the geometrical dimensions of the reinforcement elements (V1) to (V5) are adapted to the requirements for the forces acting on the bonnet or the vibration behavior of the bonnet itself. This is important for the mechanical rigidity and / or to minimize the acoustic radiation of the hood. For the sake of completeness it should be mentioned that the reinforcing elements are not visible from the outside.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a multi-layer molded body which is to be used as a weldable component.
  • the anisotropically distributed reinforcing elements (V1) and (V2) are arranged in the polymeric binder matrix (P), but the metal sheet (M1) does not reach into the edge area.
  • the edge areas of the lower metal layer (M2) are provided with welding points (S1) and (S2), so that this component can be installed using conventional welding methods, in particular electrical welding methods.
  • These welds are preferably separated from the metal sheet (M1) by areas of the polymeric binder matrix (P1) and (P2).
  • multilayered molded articles according to FIG. 4 can also be inserted into the body using structural adhesives instead of welding them together.
  • the multilayer molded articles according to the invention can in principle be produced by continuous or discontinuous production.
  • a lower cover plate runs horizontally into the production system, then a first binder layer made of the aforementioned polymeric binders is applied from above to the lower cover plate running below using a slot die or a roller.
  • the reinforcing elements and / or functional built-in elements are then applied to the binder layer at the predetermined locations, preferably using a robot.
  • a second binder layer is also applied from above onto the semi-finished product, consisting of a lower cover plate, binder layer and reinforcing elements, using a slot die or a roller.
  • An upper cover sheet is joined to a complete laminate on the semifinished product formed in this way and the entire laminate is pressed onto the final layer thickness using rollers, if necessary with heating.
  • the heating during the joining and / or pressing can be designed in such a way that the crosslinking of the binder system is carried out at an intermediate stage, ie to a pre-hardening step, so that the binder - and thus the multilayer laminate - is still highly deformable and the multilayer laminate produced in this way can be easily deformed in conventional forming processes.
  • a final curing can then take place after the installation of the component thus produced, for example in a motor vehicle body, in the oven for the electrocoating.
  • a molded part is punched from a lower cover plate, a first binder layer made of the aforementioned polymeric binders is applied to the stamped lower cover plate with the aid of a slot die or a roller or a doctor blade, the reinforcing elements and / or functional built-in elements are attached to the predetermined ones Place, if necessary with the help of a robot, on the binder layer.
  • a second binder layer using the abovementioned application methods, the upper cover plate is joined to the layer body thus formed and the entire layer body is pressed, if necessary with heating, to the final layer thickness using rollers or presses.
  • the laminate produced in this way can then be pressed or deep-drawn by shaping into a three-dimensional shaped body.
  • reactive binders can be cured in two stages, so that forming is facilitated, and the final hardness only takes place after the molded part has been installed in the complete assembly.
  • the multilayer molded articles produced according to the invention can be used for a large number of applications in which specifically light materials are required which have high structural strength.
  • the areas of application mentioned at the beginning in mechanical engineering, in device construction and in vehicle construction, here in particular in automobile construction, may be mentioned as examples.
  • Specific examples from the automotive industry are the manufacture of roof structures, bonnets, door side panels, walls to the engine compartment ("firewall"), underbody assemblies and walls to the trunk.
  • firewall roof structures, bonnets, door side panels, walls to the engine compartment
  • underbody assemblies and walls to the trunk.
  • the multilayer according to the invention have
  • Molded parts have the following advantages: low specific weight, low overall weight, the structural reinforcement performance can be significantly improved locally in flat areas of a body at the highly stressed points, through the laminate structure - e.g. For roof constructions, bonnets or door side parts, improved acoustic properties can be achieved, in addition, the structural depth of such components can be reduced and thus additional usable space can be obtained.
  • suitable polymeric binders improved heat and heat resistance up to 300 ° can be achieved C, this is important for use in the underbody area or as a wall to the engine compartment (“firewall”) the installation of functional elements such as Cable ducts in the organic intermediate layer are possible, e.g. for use in the roof or underbody area, thanks to a staggered production method in which the components are created separately from the production line ("preformed laminate"), individual high-performance modules or high-performance components can be created very quickly and flexibly.

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Abstract

Es werden mehrschichtige Formkörper mit lokal begrenzten Verstärkungselementen (V1, V2) beschrieben. Dabei ist der mehrschichtige Formkörper aus zwei äusseren metallischen Schichten (M1, M2) und mindestens einer Zwischenschicht (P) aufgebaut, wobei diese Zwischenschicht (P) aus einem organischen Bindemittel besteht und darin eingebettet anisotrop verteilte Verstärkungselemente (V1, V2) angeordnet sind. Diese anisotropen Verstärkungselementen (V1, V2) sind an den Stellen der Zwischenschicht (P) des Bauteils angeordnet, die besonders hohen strukturellen Belastungen oder Krafteinwirkungen (F1, F2) ausgesetzt sind oder an denen eine hohe akustische Abstrahlung erfolgt. Diese mehrschichtigen Formkörper erlauben die Bereitstellung von spezifisch leichten Schichtkörpern bei hoher struktureller Festigkeit, sie werden vorzugsweise im Maschinenbau, Fahrzeugbau oder Gerätebau eingesetzt.

Description

"Mehrschichtiger Formkörper mit lokal begrenzten Verstärkungselementen"
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Formkörper aus zwei äußeren metallischen Schichten und mindestes einer Zwischenschicht, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung dieser Formkörper. Mehrschichtige Formkörper und Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Formkörpern finden überall dort breite Anwendung, wo es darauf ankommt, spezifisch leichte Strukturen bei hohem Festigkeits- und / oder Steifigkeitsniveau einzusetzen.
Spezifisch leichte Werkstoffe werden in steigendem Maße im Maschinen-, Fahrzeug- oder Gerätebau, insbesondere im Automobilbau eingesetzt, um das Gewicht der Bauteile oder Fahrzeuge zu reduzieren. Aus den verschiedensten Gründen (Gesetzgebung, Kraftstoffverbrauch, Kraftstoffpreise) ist eine immer wichtiger werdende Forderung bei der Konstruktion und dem Bau von Kraftfahrzeugen die Erhöhung der strukturellen Festigkeit einer automobilen Konstruktion oder eines speziellen Bauteils bei gleichzeitiger Reduktion des Gewichtes. Eine weitere Reduktion der Blechdicken konventioneller Metall-Konstruktionen zur Gewichtseinsparung kann allerdings aus Gründen der strukturellen Festigkeit der jeweiligen Konstruktion heute nur dann erfolgen, wenn man entweder zu leichteren (z.B. Aluminium) oder strukturell festeren Metallen (z.B. Mehrphasenstähle) als Konstruktionsmaterial übergeht. Der Leichtbau mit immer dünneren Blechstärken stößt vor allem dort an Grenzen, wo geometrisch bedingt durch reduzierte Querschnitte der Bauteile, deren Steifigkeit den Anforderungen an die Gebrauchstüchtigkeit nicht mehr genügt. Der Weg über leichtere oder strukturell festere Metalle wird auch aus fertigungstechnischen Gründen und preislichen Gründen nur in geringem Maße verfolgt, da daß Umformungsverhalten gegenüber normalen Stahlblechen ungünstiger ist, außerdem können höhere Werkzeug kosten auftreten. Auch aus sicherheitstechnischen Gründen finden diese Materialien bisher nur in geringem Umfange Einsatz, da diese Materialien in Bezug auf Energie- Aufnahme, Materialversagen im Crash-Fall weniger günstige Eigenschaften aufweisen, als die herkömmlichen Werkstoffe. Kunststoffe weisen zwar ein geringes spezifisches Gewicht auf, können aber das Leistungsniveau der metallischen Werkstoffe bisher bei weitem nicht erreichen, und werden daher heute noch nicht im Bereich strukturfester und tragender Bauteile eingesetzt.
Da das ideale Konstruktionsprinzip bzw. Material für ein Optimum im Bezug auf das Leistungs-/ Gewichts-Verhältnis noch nicht gefunden wurde, findet man derzeit bei Fahrzeugkonstruktionen die folgenden Durchführungsarten : konventionelle Bauweise mit Hilfe von Stahlblechen als Werkstoff, Aluminium-Konstruktionen, Mischbauweisen, d.h. Kombinationen verschiedenster Metalle unter anderem auch mit Kunststoffen sowie Sandwich-Strukturen. Bei den letztgenannten Strukturen ist das generelle Aufbauprinzip ein Verbund von zwei Metall-Decklagen mit einer organischen Zwischenschicht aus Kunststoff. Zusätzlich können weitere Zwischenschichten in Form von Fasereinlagen oder Flächengebilden z.B. aus Glasfasern oder Streckmetallblechen eingebaut sein.
Aus der EP-A-13146 ist ein Metall/thermoplastischer Kunststoff/Metall-Laminat bekannt, das ein Flächengewicht unter 9,76 kg/m2 hat und das aus einem thermoplastischen Kernmaterial auf Basis teilkristalliner Polyamide oder Polyester mit einem kristallinen Schmelzpunkt > 130 °C besteht und einer Metallschicht, die auf beide Seiten des Kernmaterials laminiert ist, wobei die Metallschicht einen Schmelzpunkt oberhalb des kristallinen Schmelzpunktes der thermoplastischen Kernschicht hat und die Metallschicht eine minimale Dicke von 0,0127 mm aufweist. Als Verwendung für diese Sandwich-Materialien werden die Bauindustrie, Geräteindustrie, Automobilindustrie sowie der Flugzeugbau angegeben.
Die US-A-4759994 beschreibt eine Sandwich-artige Struktur bestehend aus zwei äußeren Metallplatten und einem inneren Kern zwischen den beiden äußeren Platten. Der Kern besteht aus einem metallischen Netzwerk oder Gitter. Diese Sandwich-Struktur weist zwischen den Metallplatten eine Klebstoffschicht auf, die die beiden Platten und den Kern miteinander verbindet, wodurch das Stanzverhalten verbessert wird. Dabei soll der Klebstoff nur innerhalb des Gitterwerks des Kernmaterials sein, während die Kontaktzonen zwischen Kern und Metallplatten klebstofffrei bleiben sollen, um die Schweißbarkeit des Verbundmaterials zu ermöglichen.
Die DE 19729566 C2 beschreibt eine Metallverbundplatte mit zwei Außenblechen, die durch Erhebungen einer dazwischen angeordneten Leichtbaustrukturtafel auf Abstand gehalten sind, wobei die Leichtbaustrukturtafel und die Außenbleche an den Erhebungen miteinander durch Verlöten, Verschweißen oder Verkleben miteinander verbunden sind. Als Leichtbaustrukturtafel wird dabei ein Streckmetall vorgeschlagen.
Die EP-A-895852 beschreibt eine mehrschichtige Stahl-Sandwich-Struktur bestehend aus zwei Metallplatten, die auf einen Kern laminiert sind. Dieser Kern ist aus Edelstahlwolle aufgebaut. Die Sandwich-Struktur wird dabei durch Löten, Schweißen oder Verkleben bewirkt. Als Klebstoffe werden Phenolharze, Epoxidharze oder Polyethylen- oder Polypropylen-Maleinsäureanhydrid- Copolymere vorgeschlagen.
Aus der DE-A-3905871 ist ein Verbundmaterial zur Wärmeisolierung und / oder Schalldämpfung bekannt, das auf mindestens einer Seite eine strukturfeste Hüllschicht aus einer thermisch stabilen Metallfolie aufweist. Als Isolationsschicht wird ein thermisch beständiges, hochporöses, anorganisches Material vorgeschlagen, beispielsweise aufgeschäumtes Glas mit schwammartiger Struktur oder Gasbeton oder aufgeschäumte keramische oder tonmineralische Materialien. Als Anwendung für dieses Verbundmaterial im Automobilbereich werden Auspuffbereiche eines Automobils vorgeschlagen. Aus der DE-A-3935120 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Verbundplatten bekannt, bei dem diese Verbundplatte aus einer Deckel- und Bodenplatte besteht und dazwischen liegend ein Stegmaterial aus Draht oder ein Metallgitter als Stegmaterial aufweist, welches vor seiner Verbindung mit den äußeren Metalltafeln unter Abflachung seiner Gitterknotenpunkte verformt wird. Dadurch werden vergrößerte Verbindungsflächen zwischen dem Metallgitter und den Metalltafeln geschaffen die auch Umformungen ermöglichen sollen. Die Schrift führt zwar aus, daß die Verbindung des Metallgitters mit den Deckblechen grundsätzlich durch Klebvorgänge geschehen kann, jedoch soll sie vorzugsweise durch Verschweißprozesse erfolgen. Nähere Angaben über geeignete Klebstoffe sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Die WO 00/13890 beschreibt geklebte Mehrschicht-Verbundplatten und Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Verbundplatten, die aus zwei äußeren Metallplatten bestehen, welche als obere und untere Basisplatten dienen und welche an eine deformierbare verbindende Zwischenschicht gebunden sind. Dabei wird das in der Zwischenschicht liegende verformbare Stegmaterial mit der Deckel- und Bodenplatte mittels eines aufschäumenden Klebers verbunden, der die im Verbund verbleibenden Hohlräume ausfüllt. Das zwischen den Metallplatten liegende Stegmaterial kann dabei aus einem Streckmetallgitter, einem Drahtgitter oder einem Stegblech bestehen und es kann eine mehrlagige Abfolge aus Streckmetallgittern, Drahtgittern, Stegblechen mit für den Kleber undurchlässigen oder durchlässigen Zwischenblechen beinhalten. Eine Lehre über geeignete Zusammensetzungen des Klebers ist dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Aus der EP 636517 B1 ist ein Herstellverfahren für ein zumindest bereichsweise eine Doppelblechstruktur mit dazwischen liegender Dämmschicht aufweisendes Fahrzeug- Karosserieteil bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Grundblech und das Deckblech der Doppelblechstruktur unter Zwischenlage einer Dämmschicht zunächst gegeneinander fixiert und anschließend gemeinsam umgeformt, insbesondere tiefgezogen. Es soll lediglich auf ausgewählte Flächenabschnitte des ebenen Grundbleches ein geeignetes Dämmschicht-Material aufgelegt werden und hierauf wird ein sich über einen größeren Flächenabschnitt erstreckendes ebenes Deckblech aufgelegt, wobei die Dämmschicht zunächst im Randbereich ausreichend druckstabil ist, um der Umformung stand zu halten. Das Dämmschicht-Material soll dabei mit dem Grundblech und dem Deckblech verklebt werden, wobei der Auftrag des für die Verklebung erforderlichen Klebemittels durch Folie, Dichtschnur, Aufwalzen/Rollen, Sprühfilm, Kleberaupen oder Tropfen erfolgen soll.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik eine Methode bekannt, um dünnwandige Metallstrukturen an stark beanspruchten Stellen zu verstärken, bei der sogenannte "Metall-Patches" auf das Grundblech aufgeklebt sind. Derartige Strukturen sind z.B. in JP 2000/135923 A, DE 19819697 A1, DE 4445943 C1, DE 4445942 C1 oder DE 2932027 A beschrieben. Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß zumindest die eine Seite derartiger Blechstrukturen keine ebene Oberfläche aufweist. Angesichts dieses Standes der Technik haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, mehrschichtige Formkörper und ein Verfahren zu deren Herstellung bereit zu stellen, die für strukturelle Bereiche des Fahrzeugbaus geeignet sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist den Ansprüchen zu entnehmen, sie besteht im Wesentlichen in der Bereitstellung von mehrschichtigen Formkörpern aus zwei äußeren metallischen Schichten und mindestens einer Zwischenschicht, bei der die Gesamtfläche des Schichtkörpers eine anisotrope Struktur aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger mehrschichtiger Formkörper sowie die Verwendung von mehrschichtigen Laminaten oder Formkörpern zur Herstellung von Bauteilen im Automobilbau.
Die beiden äußeren metallischen Schichten des mehrschichtigen Formkörpers sind dabei in der Regel Metallbleche. Dabei können diese Bleche normale Stahlbleche, aber auch nach den diversen Verzinkungsverfahren veredelte Stahlbleche sein, genannt seien hier die elektrolytisch oder feuerverzinkten Bleche sowie die entsprechenden thermisch nachbehandelten oder verzinkten oder nachträglich phosphatierten Stahlbleche sowie Aluminiumbleche. Die Dicke dieser äußeren Bleche kann den strukturellen Gegebenheiten angepasst werden. Sie kann zwischen 0,1 und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3 mm liegen. Die Zwischenschicht besteht dabei aus einer polymeren Bindemittel-Zusammensetzung und den darin anisotrop verteilten Verstärkungselementen. Das Bindemittel der Zwischenschicht kann dabei aus einer Vielzahl von thermoplastischen Polymeren oder auch aus reaktiven Bindemitteln ausgewählt werden. Beispiele für thermoplastische Polymere sind Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polystyrol, Styrol-Copolymere wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder thermoplastische Elastomere auf der Basis von Block-Copolymeren des Styrols mit Butadien oder Isopren, ggf. auch in ihrer hydrierten Form, beide bevorzugt als Drei - Block - Copolymere. Weitere Beispiele für erfindungsgemäß mit zu verwendende thermoplastische Polymere für die Zwischenschicht sind Vinylchlorid- Homo- und/oder Copolymere - z.B. Vinylchlorid/Vinylacetat- Copolymere, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA), Polyester oder Polycarbonat. Als reaktive Bindemittel eignen sich insbesondere solche auf der Basis von Epoxidharzen, reaktiven Kautschuken oder Polyurethanen.
Als Epoxidharz - Bindemittel-Zusammensetzung eignen sich eine Vielzahl von - vorzugsweise flexibilisierten - Epoxid-Zusammensetzungen. Beispielhaft erwähnt seien die Zusammensetzungen, die in der EP-A-354498, der EP-A-591307, der WO 00/20483, der WO 00/37554 sowie den noch unveröffentlichten Anmeldungen DE 10017783.2 sowie DE 10017784.0 genannt werden. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Bindemittel - Zusammensetzungen enthalten dabei mindestens ein Epoxidharz, eine flexibilisierte Epoxyverbindung, Elastomer- modifiziertes Epoxidharz und ggf. einen Reaktiwerdünner sowie in der Regel einen latenten Härter, der bei Erwärmen der Zusammensetzungen die Vernetzung des Bindemittels bewirkt.
Als Bindemittelmatrix auf Basis von reaktiven Kautschuken eignen sich Zusammensetzungen aus natürlichen und / oder synthetischen Kautschuken (d.h. olefinische Doppelbindung enthaltenden Elastomeren) und Vulkanisationsmitteln. Diese enthalten mindestens einen der folgenden Stoffe: einen oder mehrere Flüssigkautschuke und/oder Festkautschuke oder Elastomere, feinteilige Pulver aus thermoplastischen Polymeren, Vulkanisationsmittel, Vulkanisationsbeschleuniger, Katalysatoren, Füllstoffe, Klebrigmacher und/oder Haftvermittler, Treibmittel, Extenderöle, Alterungsschutzmittel, Rheologiehilfsmittel. Geeignete Bindemittel sind z.B. in der WO 96/23040 beschrieben.
Neben den vorgenannten einkomponentig hitzehärtenden Bindemitteln können auch bei Raumtemperatur aushärtende zweikomponentige Epoxid-, Kautschuk- oder auch Polyurethanbindemittel eingesetzt werden.
Die anisotrop verteilten Verstärkungselemente der Zwischenschicht können dabei aus konventionellen Metallblechen, gehärteten Metall-Legierungen, Mehrphasenstählen, Aluminium, Streckmetallen, organischen Schäumen auf der Basis von Epoxiden oder Polyurethanen, die ggf. faserverstärkt sind, oder anderen Kunststoffen aufgebaut sein. Diese Verstärkungselemente sind dabei vorzugsweise an solchen Stellen angeordnet, denen der Formkörper hohen strukturellen Belastungen oder Krafteinwirkungen ausgesetzt ist. Diese Verstärkungselemente werden schon bei der Produktion des mehrschichtigen Formkörpers als Halbzeug ("multilayer laminate") so eingebaut, daß diese dann später exakt an den Stellen der Konstruktion bzw. des Bauteiles vorliegen, an denen die besonders hohen strukturellen Belastungen oder Krafteinwirkungen auf das Bauteil einwirken. Diese Verstärkungselemente werden dabei vorzugsweise in ihrer geometrischen Form speziell auf den Lastfall zugeschnitten.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen mehrschichtigen Formkörper zusätzlich funktionale Einbauelemente wie z.B. Kabelkanäle enthalten. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn diese Formkörper als Dachkonstruktionen oder Unterbodengruppen im Fahrzeugbau dienen sollen.
Die möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Formkörper sollen nun an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 den generellen Aufbau eines anisotropen Vielschicht-Laminates
Figur 2 den zusätzlichen Einbau von funktionalen Elementen
Figur 3 den beispielhaften Aufbau einer Motorhaube
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für ein verschweißbares Bauteil. Im generellen Aufbau des Vielschicht-Laminates gemäß Figur 1 sind die beiden äußeren Metall- Schichten (M1) und (M2) Metallbleche mit einer Stärke von 0,1 bis 1,0 mm. Die dazwischen liegende Polymerschicht (P) hat in der Regel eine Schichtstärke von 0,3 bis 5,0 mm, ihre Stärke richtet sich nach dem Einsatzzweck des aus dem Mehrschicht-Laminat hergestellten Bauteils. Als Polymere können alle vorgenannten Polymertypen eingesetzt werden. Das dickere Verstärkungselement (V1) ist an einer Stelle angeordnet, wo später in dem Bauteil die größte Krafteinwirkung (F1 ) zu erwarten ist. Das Verstärkungselement (V2) befindet sich an einer Stelle, wo eine geringere Kraft (F2) einwirken wird. An Stellen mit noch geringerer Krafteinwirkung (F3) ist kein Verstärkungselement vorgesehen.
In der Figur 2 ist zusätzlich der Einbau eines funktionalen Elementes, beispielsweise eines Kanals (K) zur Aufnahme von elektrischen Kabeln dargestellt. Die übrigen Aufbaukomponenten dieses Schichtkörpers entsprechen den in der Figur 1 dargestellten Elementen.
In der Figur 3 ist ein beispielhafter schematischer Aufbau einer Motorhaube in der Aufsicht dargestellt. Dabei sind die geometrischen Abmessungen der Verstärkungselemente (V1 ) bis (V5) den Anforderungen an die Krafteinwirkungen auf die Motorhaube bzw. auf das Schwingungsverhalten der Haube selbst angepasst. Dies ist wichtig für die mechanische Steifigkeit und/oder eine Minimierung der akustischen Abstrahlung der Haube. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Verstärkungselemente nicht von außen sichtbar sind.
Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen mehrschichtigen Formkörper der als verschweißbares Bauteil eingesetzt werden soll. Auch hier sind wiederum die anisotrop verteilten Verstärkungselemente (V1) und (V2) in der polymeren Bindemittelmatrix (P) angeordnet, das Metallblech (M1) reicht jedoch nicht in den Randbereich. Die Randbereiche der unteren Metallschicht (M2) sind mit Schweißstellen (S1) und (S2) versehen, so daß dieses Bauteil mit herkömmlichen Schweißverfahren, insbesondere elektrischen Schweißverfahren, eingebaut werden kann. Vorzugsweise sind dabei diese Schweißstellen von dem Metallblech (M1) durch Bereiche der polymeren Bindemittelmatrix (P1) und (P2) getrennt. Selbstverständlich können auch mehrschichtige Formkörper gemäß Figur 4 mit Hilfe von Strukturklebstoffen in die Karosserie gefügt werden, anstatt sie zu verschweißen.
Die erfindungsgemäßen mehrschichtigen Formkörper können dabei grundsätzlich durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Produktion hergestellt werden. Bei der kontinuierlichen Produktion läuft ein unteres Deckblech horizontal in die Fertigungsanlage ein, anschließend wird eine erste Bindemittelschicht aus den vorgenannten polymeren Bindemitteln mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder mit einer Walze von oben auf das darunter hinweglaufende untere Deckblech aufgetragen. An den vorbestimmten Stellen werden dann die Verstärkungselemente und / oder funktionalen Einbauelemente auf die Bindemittelschicht aufgebracht, vorzugsweise geschieht dies mit Hilfe eines Roboters. Anschließend wird eine zweite Bindemittelschicht ebenfalls mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze von oben auf das darunter hinweg laufende Halbzeug, bestehend aus unterem Deckblech, Bindemittelschicht und Verstärkungselementen, aufgetragen. Auf das so gebildete Halbzeug wird ein oberes Deckblech zu einem kompletten Schichtkörper gefügt und der gesamte Schichtkörper wird, ggf. unter Erwärmung, mit Hilfe von Walzen auf die endgültige Schichtstärke verpresst. Bei reaktiven Bindemittelsystemen kann die Erwärmung während des Fügens und /oder Verpressens so gestaltet werden, daß die Vernetzung des Bindemittelsystems auf einer Zwischenstufe, d.h. zu einer Vorhärtung, geführt wird, so daß das Bindemittel - und damit das mehrschichtige Laminat - noch sehr stark verformbar ist und sich das so hergestellte Mehrschicht-Laminat in konventionellen Umformungsprozessen leicht verformen läßt. Eine endgültige Aushärtung kann dann nach dem Einbau des so hergestellten Bauteils, z.B. in eine Kraftfahrzeugkarosse, im Ofen für die Elektrotauchlackierung erfolgen.
Bei der diskontinuierlichen Produktionsweise wird aus einem unteren Deckblech ein Formteil gestanzt, eine erste Bindemittelschicht aus den vorgenannten polymeren Bindemitteln wird mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze oder einem Rakel auf das gestanzte untere Deckblech aufgetragen, die Verstärkungselemente und / oder funktionalen Einbauelemente werden an den vorbestimmten Stellen, ggf. mit Hilfe eines Roboters, auf die Bindemittelschicht aufgebracht. Es schließt sich der Auftrag einer zweiten Bindemittelschicht mit Hilfe der vorgenannten Applikationsmethoden an, das obere Deckblech wird auf den so vorgebildeten Schichtkörper gefügt und der gesamte Schichtkörper wird, ggf. unter Erwärmung, mit Hilfe von Walzen oder Pressen auf die endgültige Schichtstärke verpresst. Daran anschließend kann das so hergestellte Laminat durch Umformung in einen dreidimensionalen Formkörper gepresst oder tiefgezogen werden.
Auch bei dieser diskontinuierlichen Produktionsweise kann bei reaktiven Bindemitteln deren Aushärtung zweistufig geschehen, so daß die Umformung erleichtert wird, und die endgültige Härte erst nach Einbau des Formteils in die komplette Baugruppe erfolgt.
Die erfindungsgemäß hergestellten mehrschichtigen Formkörper lassen sich für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen, bei denen spezifisch leichte Werkstoffe benötigt werden, die eine hohe strukturelle Festigkeit aufweisen. Beispielhaft genannt seien die anfangs genannten Anwendungsbereiche im Maschinenbau, im Gerätebau sowie im Fahrzeugbau, hier insbesondere im Automobilbau. Konkrete Beispiele aus dem Automobilbau sind die Herstellung von Dachkonstruktionen, Motorhauben, Türen- Seitenteilen, Abgrenzungswänden zum Motorraum ("Firewall"), Unterbodenbaugruppen sowie Abgrenzungswand zum Kofferraum. Gegenüber den bisher eingesetzten Bauteilen weisen die erfindungsgemäßen mehrschichtigen
Formteile die folgenden Vorteile auf: niedriges spezifisches Gewicht, niedriges Gesamtgewicht, die strukturelle Verstärkungsleistung kann lokal bei flächigen Bereichen einer Karosserie an den stark beanspruchten Stellen deutlich verbessert werden, durch den Laminataufbau - z.B. für Dachkonstruktionen, Motorhauben oder Türen- Seitenteile, lassen sich verbesserte akustische Eigenschaften erzielen, außerdem kann die Bautiefe derartiger Bauteile reduziert werden und damit zusätzlicher Nutzraum gewonnen werden, es läßt sich bei Auswahl der geeigneten polymeren Bindemittel eine verbesserte Wärme - und Hitzebeständigkeit bis zu 300 °C erzielen, dies ist wichtig für den Einsatz im Unterbodenbereich oder als Abgrenzungswand zum Motorraum ("Firewall") der Einbau von funktionalen Elementen wie z.B. Kabelkanälen in die organische Zwischenschicht ist möglich, z.B. für die Verwendung im Dach- oder Unterbodenbereich, durch eine gestaffelte Produktionsweise, bei der die Bauteile separat von der Fertigungslinie erstellt werden ("Preformed laminate") können sehr schnell und flexibel individuelle Hochleistungs-Module bzw. Hochleistungsbauteile erstellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrschichtiger Formkörper aus zwei äußeren metallischen Schichten und mindestens einer Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche des Schichtkörpers eine anisotrope Struktur aufweist.
2. Mehrschichtiger Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einer polymeren Bindemittel-Zusammensetzung und darin anisotrop verteilten Verstärkungselementen besteht.
3. Mehrschichtiger Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrop verteilten Verstärkungselemente der Zwischenschicht an solchen Stellen angeordnet sind, an denen der Formkörper hohen strukturellen Belastungen oder Krafteinwirkungen ausgesetzt ist und/oder die akustische Abstrahlung des Formkörpers oder Bauteils durch derartige Verstärkungselemente deutlich reduziert wird.
4. Mehrschichtiger Formkörper nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrop verteilten Verstärkungselemente der Zwischenschicht aus konventionellen Metallblechen, gehärteten Metall-Legierungen, Mehrphasenstählen, Aluminium, Streckmetallen, Kunststoffen, organischen, ggf. faserverstärkten Schäumen, auf Basis von Epoxiden oder Polyurethanen aufgebaut sind.
5. Mehrschichtiger Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht zusätzlich funktionale Einbauelemente, insbesondere Kabelkanäle, enthält.
6. Mehrschichtiger Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel der Zwischenschicht aus thermoplastischen Polymeren ausgewählt aus Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polystyrol, Styrol-Copolymeren, Vinylchlorid- Homo- und/oder Copolymeren, EVA, Polyestern, Polycarbonat oder reaktiven Bindemitteln ausgewählt aus Epoxidharzen, reaktiven Kautschuken oder Polyurethanen aufgebaut ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Formkörpers in Form eines mehrschichtigen Laminates nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte a) ein unteres Deckblech läuft horizontal in die Fertigungsanlage ein, b) eine erste Bindemittelschicht nach Anspruch 6 wird mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze von oben auf das darunter laufende untere Deckblech aufgetragen, c) die Verstärkungselemente nach Anspruch 4 und/oder die funktionalen Einbauelemente werden an den vorbestimmten Stellen, ggf. mit Hilfe eines Roboters, auf die Bindemittelschicht aufgebracht, d) eine zweite Bindemittelschicht nach Anspruch 6 wird mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze von oben auf das darunter laufende untere, gemäß a) bis c) beschichtete Deckblech aufgetragen, e) ein oberes Deckblech wird auf den gemäß a) bis d) gebildeten Schichtkörper gefügt, f) der gesamte Schichtkörper wird ,ggf. unter Erwärmung, mit Hilfe von Walzen auf die endgültige Schichtstärke verpresst.
8. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Formkörpers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte: a) aus einem unteren Deckblech wird ein Formteil gestanzt, b) eine erste Bindemittelschicht nach Anspruch 6 wird mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze von oben auf das darunter laufende untere Deckblech aufgetragen, c) die Verstärkungselemente nach Anspruch 4 und/oder die funktionalen Einbauelemente werden an den vorbestimmten Stellen, ggf. mit Hilfe eines Roboters, auf die Bindemittelschicht aufgebracht, d) eine zweite Bindemittelschicht nach Anspruch 6 wird mit Hilfe einer Breitschlitzdüse oder einer Walze von oben auf das darunter laufende untere, gemäß a) bis c) beschichtete Deckblech aufgetragen e) ein oberes Deckblech wird auf den gemäß a) bis d) gebildeten Schichtkörper gefügt, f) der gesamte Schichtkörper wird ,ggf. unter Erwärmung, mit Hilfe von Walzen oder ! Pressen auf die endgültige Schichtstärke verpresst g) das gemäß a) bis f) hergestellte Laminat wird durch Umformung in einen dreidimensionalen Formkörper gepresst oder tiefgezogen.
9. Verwendung von mehrschichtigen Laminaten oder Formkörpern nach Anspruch 7 oder 8 zur Herstellung von Bauteilen für den Automobilbau.
10. Verwendung nach Anspruch 9 zur Herstellung von Dachkonstruktionen, Motorhauben, Türen- Seitenteile, Abgrenzungswand zum Motorraum ("firewall"), Unterboden-Baugruppen.
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