DE10000767A1 - Karosserieaußenteile aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial für Fahrzeuge und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Karosserieaußenteile für Fahrzeuge aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial, welches einen faserverstärkten Schaumkern (1) aus Polyurethan(PUR)-Schaumstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern eine offenzellige Schaumstruktur aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Karosserieaußenteile für Fahrzeuge aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Faserverstärkte Kunststoffverbundmaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften zunehmend für Anwendungen eingesetzt, in denen früher ausschließlich Metalle oder Bleche Verwendung fanden. Dies gilt unter anderem auch für Karosserieaußenteile im Fahrzeugbau. An Karosserieaußenteile für Fahrzeuge werden generell hohe Anforderungen bezüglich ihrer mechanischen Stabilität und ihrer Oberflächenbeschaffenheit gestellt. Sie müssen eine einwandfreie Oberfläche (sog. Class A) aufweisen, damit sie mit möglichst wenig Nacharbeit oder ohne Nacharbeit lackiert werden können. Insbesondere muß auch eine ausreichende Haftung des Lackierlackes auf der Oberfläche gewährleistet sein. Mit den früher ausschließlich verwendeten Metallen und Blechen konnten die genannten Anforderungen leicht erfüllt werden.

In der noch nicht vorveröffentlichten Patententameldung DE 199 39 111.4 werden Verbundelemente beschrieben, die aus einem faserverstärkten Polyisocyanat- Polyadditionsprodukt und einer daran anhaftenden thermoplastischen Folie bestehen, auf die eine Lackierung aufgebracht werden kann. Die beschriebenen Verbundelemente können als Karosseriebauteile für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.

Der Artikel "PUR-Hardtop für das Audi Cabriolet" aus dem Tagungsband "Kunststoffe im Automobilbau, 25./26. März 1998, VDI-Verlag ISBN 3-18- 234212-6, von Hans-Günther Haldenwanger, Josef Heiß und Herwig Reim betrifft die Herstellung eines Hardtops aus faserverstärktem PUR-Verbundmaterial für einen Personenkraftwagen. Dieses Hardtop besteht aus zwei faserverstärkten (GF) PUR-Schaumkernen (GF-PUR), mit einer einseitig darauf aufgebrachten Beschichtung aus kompaktem PUR, die auch als Coating bezeichnet wird (sog. Dreischichtaufbau). Auf diese Beschichtung kann nachfolgend Lackierlack aufgetragen werden. Die PUR-Schaumkerne bestehen aus einem Schaumsystem der Elastogran GmbH mit der Bezeichnung Polyol D07-001/OA und Isocyanat B237. Dieses Schaumsystem erzeugt eine geschlossenzellige Schaumstruktur. Das Hardtop besteht somit aus drei Einzelschichten. Es hat sich gezeigt, daß sich bei Karosserieaußenteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial gemäß dem Stand der Technik bei Temperatureinfluß auf der Beschichtung eine sog. "Orangenhaut" bilden kann. Diese ist bedingt durch Verspannungen, die sich aufgrund des Temperatureinflusses zwischen dem Schaumkern und der darauf aufgebrachten PUR-Beschichtung bilden können.

Bei der Verwendung einer thermoplastischen, tiefgezogenen Kunststoffolie bzw. dünnen Metallblechen als Deckschicht auf dem glasfaserverstärkten PUR- Schaumkern mit geschlossenzelliger Schaumstruktur können bei Temperatureinfluß ebenfalls Störungen auf der Oberfläche auftreten. Derartige Phänomene werden ausführlich in KU Kunststoffe 89 (1999), S. 128ff beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, qualitativ hochwertige Karosserieaußenteile aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial bereitzu­ stellen, die einfach und kostengünstig, d. h. wirtschaftlich, hergestellt werden können, eine qualitativ hochwertige Oberfläche (Class-A Oberfläche) gewährleisten und diese auch unter Temperatureinfluß dauerhaft beibehalten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Karosserieaußenteil für Fahrzeuge aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial, welches einen faserverstärkten Schaumkern aus Polyurethan(PUR)-Schaumstoff aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaumkern eine offenzellige Schaumstruktur aufweist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung von Karosserieaußenteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial für Fahrzeuge bereitgestellt, bei welchem in einem Verfahrensschritt 1 ein faserverstärkter Schaumkern aus Polyurethan-Schaumstoff geformt wird, wobei der Schaumkern nach dem Formen eine offenzellige Schaumstruktur bzw. ein offenzelliges Zellgerüst aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines PUR-Schaumstoffs mit offenzelliger Struktur für den Schaumkern selbst bei langanhaltendem hohen Temperatureinfluß (z. B. während dem Klima-Wechsel-Test) auf das Karosserieaußenteil keine Verspannungen auftreten, so daß die Oberfläche der Beschichtung keine Oberflächenunebenheiten ausbildet. Die vorliegende Erfindung gewährleistet somit langfristig eine Oberfläche hoher Güte (Class-A). Es hat sich außerdem gezeigt, daß durch die Offenzelligkeit der Schaumstruktur die Wärmelagerungszeiten (Temperungszeiten) des Schaumkerns erheblich verkürzt werden können, oder auf eine Wärmelagerung sogar ganz verzichtet werden kann, welche bei den sonst verwendeten geschlossenzelligen Schaumsystemen notwendig ist.

Offenzellig im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet einen Volumenanteil an offenen Zellen in der Schaumstruktur ohne Faserverstärkung von mehr als etwa 50 Vol.-%. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Schaumkerne bevorzugt, die ohne Faserverstärkung in ihrer Schaumsstruktur einen Volumenanteil an offenen Zellen von vorzugsweise mehr als etwa 60 Vol.-%, weiter bevorzugt von etwa 70 bis 90 Vol.-%, besonders bevorzugt von etwa 80 bis 90 Vol.-% aufweisen. Der Volumentanteil an offenen Zellen in der Schaumstruktur ohne Faserverstärkung wird gemäß DIN ISO 4590 bestimmt. Der Begriff "ohne Faserverstärkung" bedeutet, daß der Volumentanteil an offenen Zellen bestimmt wird an Hand eines Probeschaumkerns, der keine Faserverstärkung aufweist.

Fahrzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Fahrzeuge zu Land, zu Wasser und in der Luft. Dazu gehören beispielsweise Kraftfahrzeuge wie Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, Motorräder, Schiffe und Flugzeuge.

Karosserieaußenteile sind im Sinne der vorliegenden Erfindung alle von außen sichtbaren Karosserieteile an einem Fahrzeug. Bei diesen Teilen kommt es im Regelfall auf eine Oberfläche hoher Güte an, da derartige Karosserieaußenteile mitunter einen dekorativen Zweck an dem Fahrzeug erfüllen müssen. Karosserieaußenteile sind beispielsweise Dächer, Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel und Stoßstangen, beispielsweise für Personenkraftwagen. Bevorzugtes Karosserieaußenteil im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Hardtop. Hardtops sind abnehmbare steife Dächer für PKW des Typs Cabriolet. An diese werden in vielerlei Hinsicht hohe Anforderungen gestellt. Hardtops müssen ein geringes Gewicht aufweisen, damit sie einfach auf den PKW montiert und entfernt werden können. Sie müssen eine hohe mechanische Stabilität (Überrollen des PKWs bei einem Unfall) aufweisen und ein hohes Maß an Geräuschdämmung, Wasserdichtigkeit, Temperaturbeständigkeit gewährleisten. Bei all dem muß vor allem auch eine hohe, gleichbleibende Oberflächengüte (Class-A) gewährleistet sein, um den hohen optischen Bedürfnissen Rechnung zu tragen, die von PKW-Hersteller zu PKW-Hersteller unterschiedlich ausfallen können.

Der Begriff PUR-Schaumstoffe umfaßt im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte, wie Polyurethan und/oder Polyisocyanurat. Diese sind erhältlich aus einer Umsetzung von (a) Isocyanaten mit (b) gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen gegebenenfalls in Gegenwart von (c) Katalysatoren, (d) Treibmitteln, (e) Hilfs- und Zusatzstoffen.

Als Isocyanate (a) können allgemein bekannte (cyclo)aliphatische und/oder insbesondere aromatische Polyisocyanate eingesetzt werden. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Karosserieaußenteile eignen sich besonders aromatische Diisocyanate, vorzugsweise Diphenylmethandiisocyanat (MDI) und Toluylendiisocyanat (TDI). Die Isocyanate können in Form der reinen Verbindung oder in modifizierter Form, beispielsweise in Form von Uretdionen, Isocyanuraten, Allophanaten oder Biureten, vorzugsweise in Form von Urethan- und Isocyanatgruppen enthaltenden Umsetzungsprodukten, sogenannten Isocyanat-Prepolymeren, eingesetzt werden.

Als (b) gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen können ebenfalls die üblichen, allgemein bekannten Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanat reaktiven Wasserstoffatomen Verwendung finden, beispielsweise Polycarbonat­ diole, Polyetherpolyole und/oder Polyesterpolyole, im Folgenden als "Polyole" bezeichnet. Bevorzugt sind Polyole mit einer Funktionalität von 2 bis 8, insbesondere von 2 bis 4, einer Hydroxylzahl von 250 bis 1000 mg KOH/g sowie 10 bis 100% primären Hydroxylgruppen. Die Polyole weisen bevorzugt ein Molekulargewicht von 60 bis 500 g/mol auf Polyetherole sind aufgrund ihrer höheren Hydrolysestabilität besonders bevorzugt. Die Polyetherole werden zumeist durch basisch katalysierte Anlagerung von niederen Alkylenoxiden, insbesondere Ethylenoxid und/oder Propylenoxid, an 2 bis 8-funktionelle, insbesondere 2 bis 5-funktionelle Startsubstanzen, hergestellt. Der Gehalt an primären Hydroxylgruppen kann erreicht werden, indem man die Polyole zum Abschluß mit Ethylenoxid umsetzt. Die vorstehend genannten Verbindungen (b) können gegebenenfalls in Mischung mit weiteren bekannten gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen, beispielsweise üblichen Polyolen mit einer Funktionalität von 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 eingesetzt werden, die sich von den vorstehenden Verbindungen (b) in der Hydroxylzahl unterscheiden oder aber auf Polycarbonatdiolen und/oder Polyesterolen basieren. Zu den gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen (b) können auch Kettenverlängerungs- und/oder Vernetzungsmitteln gehören. Bei den Kettenverlängerungsmitteln handelt es sich überwiegend um zwei- oder drei funktionelle Alkohole mit Molekulargewichten von 60 bis 499, beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol, Butandiol-1,4, Pentandiol-1,5. Bei den Vernetzungsmitteln handelt es sich um Verbindungen mit den Molekulargewichten von 60 bis 499 und 3 oder mehr aktiven H-Atomen, vorzugsweise Amine und besonders bevorzugt Alkohole, beispielsweise Glyzerin, Trimethylolpropan und/oder Pentaerythrit.

Als Katalysatoren (c) können übliche Verbindungen eingesetzt werden, die beispielsweise die Reaktion der Komponente (a) mit der Komponente (b) stark beschleunigen. In Frage kommen beispielsweise tertiäre Amine und/oder organische Metallverbindungen, insbesondere Zinnverbindungen. Bevorzugt werden als Katalysatoren solche eingesetzt, die zu einem möglichst geringen Fogging, d. h. zu einer möglichst geringen Abgabe von flüchtigen Verbindungen aus dem Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt führen, beispielsweise tertiäre Amine mit reaktiven Endgruppen und/oder höher siedende Aminkatalysatoren.

Beispielsweise können als Katalysatoren folgende Verbindungen eingesetzt werden: Triethylendiamin, Aminoalkyl- und/oder Aminophenyl-imidazole, zum Beispiel 4-Chlor-2, 5-dimethyl-1-(N-methylaminoethyl)-imidazol, 2-Amino­ propyl-4, 5-dimethoxy-1-methylimidazol, 1-Aminopropyl-2,4,5-tributylimidazol, 1-Aminoethyl-4-hexylimidazol, 1-Aminobutyl-2, 5-dimethylimidazol, 1-(3- Aminopropyl)-2-ethyl-4-methylimidazol, 1-(3-Aminopropyl) imidazol und/oder 1-(3-Aminopropyl)-2-methylimidazol, Zinn-(II) salze von organischen Carbon­ säuren, zum Beispiel Zinn-(II)-diacetat, Zinn-(II)-dioctoat, Zinn-(II)-diethylhexoat und Zinn-(II)-dilaurat und Dialkylzinn-(IV)-salzen von organischen Carbonsäuren, z. B. Dibutyl-zinndiacetat, Dibutylzinn-dilaurat, Dibutylzinn­ maleat und Dioctylzinn-diacetat.

Als Treibmittel (d) können allgemein bekannte chemisch oder physikalisch wirkende Verbindungen eingesetzt werden. Als chemisch wirkendes Treibmittel kann bevorzugt Wasser eingesetzt werden, welches durch Reaktion mit den Isocyanatgruppen Kohlendioxid bildet. Beispiele für physikalische Treibmittel, d. h. solche, inerte Verbindungen, die unter den Bedingungen der Polyurethanbildung verdampfen, sind beispielsweise (cyclo)aliphatische Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise solche mit 4 bis 8, besonders bevorzugt 4 bis 6 und insbesondere 5 Kohlenstoffatomen, teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe oder Ether, Ketone oder Acetate. Die Menge der eingesetzten Treibmittel richtet sich nach der angestrebten Dichte der Schaumstoffe. Die unterschiedlichen Treibmittel können einzeln oder in beliebigen Mischungen untereinander zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt wird nur Wasser als Treibmittel eingesetzt. Physikalische Treibmittel werden bevorzugt in einer Menge von < 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Komponente (b), eingesetzt.

Die Umsetzung erfolgt gegebenenfalls in Anwesenheit von (e) Hilfs- und/oder Zusatzstoffen, wie z. B. Füllstoffen, Zellreglern, oberflächenaktiven Verbindungen und/oder Stabilisatoren gegen oxidativen, thermischen oder mikrobiellen Abbau oder Alterung.

Die Edukte (a), (b), (c), (d) und (e) müssen derart ausgewählt und in Anteilen zueinander eingesetzt werden, daß eine offenzellige Schaumstruktur erhalten wird.

Der Volumenanteil an offenen Zellen in der Schaumstruktur kann beispielsweise erhöht werden, in dem Hilfsstoffe (e) zur Förderung der Offenzelligkeit dem Reaktionsgemisch zugegeben werden. Dies können Hilfstoffe (e) sein, die nicht in die Schaumstruktur eingebaut werden können und dadurch eine Destabilisierung der sich aufbauenden Zellwände verursachen. Die Hilfsstoffe können in dem Reaktionsgemisch gegebenenfalls mikrodispers vorliegen. Beispiele für Hilfsstoffe (e) sind interne Trennmittel wie Ölsäureverbindungen, Ester aus Polyisobutylen-Bernsteinsäureanhydrid (PIBSA) und Sorbitanmonooleat sowie Polyester aus Adipinsäure, Ölsäure und Pentaerythrit.

Diese Verbindungen besitzen keine oder eine kleine OH-Zahl, d. h. keine funktionellen OH-Gruppen, und werden deshalb nicht oder nur schwach in das PUR-Molekülgerüst eingebaut. Sie können somit an die Oberfläche des aushärtenden Schaumstoffs wandern und eine trennende Schicht zur Form ausbilden. Da es Moleküle mit einem hohen Molekulargewicht sind, wirken sie destabilisierend auf die Ausbildung von Zellwänden.

Eine offenzellige Schaumstruktur kann auch durch Verwendung spezieller gegenüber Isocyanaten reaktiver Verbindungen (b) erreicht werden. Hierbei sind beispielsweise feste organische Füllstoffe in disperser Verteilung zu nennen. Derartige organische Füllstoffe umfassen Polymer-Polyole und Polyharnstoff- Polyole. Die disperse Phase wird durch Propfpolymerisation direkt im Polyether erzeugt.

Als Polymer-Polyole bezeichnet man eine Gruppe von Polyol-Dispersionen, die durch radikalische Polymerisation von geeigneten olefinischen Monomeren in dem als Pfropfgrundlage dienenden Polyether hergestellt werden. Das Polymer- Polyol enthält neben den Pfropfcopolymerisaten überwiegend die Homopolymeren von olefinischen Verbindungen, wie z. B. Acrylnitril, Styrol, Vinylacetat, Vinylchlorid, Acrylsäureester und Gemische aus zwei oder mehr davon.

Neben diesen Polyolen mit partiell chemisch gebunden organischen Füllstoffen können gefüllte Polyether auch durch Mischen mit feinteiligen organischen Kunststoff-Pulvern oder anorganischen Substanzen erhalten werden. Die Stabilität solcher Suspension ist wegen der fehlenden chemischen Bindung zum Polyether oft geringer. Als anorganische Füllstoffe lassen sich Silikate, Carbonate, Aluminiumpulver oder aber auch Glasfasern, etc. verwenden.

Die Offenzelligkeit kann auch über das Mischungsverhältnis von (a) zu (b) verändert werden.

Außerdem kann die Offenzelligkeit auch über die Reaktionskinetik eingestellt werden. Durch selektive Katalysatoren (c) oder autokatalytische Polyole (b) und Polyole mit hohem EO-Anteil kann die Treib- und Vernetzungsreaktion und somit die Offenzelligkeit in dem Fachmann wohlbekannter Weise, z. B. durch die Wahl eines geeigneten Katalysators, eingestellt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Schaumkern faserverstärkt. Die Fasern können entweder als lose Einzelfasern in dem Schaumkern vorliegen, oder als Verbund von Fasern, beispielsweise als Gewebe, Gewirke und/oder gepreßte Bahnen auf Faserbasis. Bevorzugt werden flächige Strukturen auf Faserbasis verwendet, die ein Flächengewicht von 100 bis 1000 g/m², besonders bevorzugt von 200 bis 600 g/m² aufweisen. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, synthetische Fasern, z. B. solche auf Basis von Polyamid, Polyurethan, Polyester und/oder Polycarbonat und/oder natürliche Fasern, wie z. B. Flachs, Sisal, Hanf, Kokos, Baumwolle, Wolle und/oder Cellulose in Frage, beispielsweise übliche Textilgewebe. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Schaumkern zur Verstärkung eine flächige Glasfasermatrix, die in Verfahrensschritt 1 eingesetzt wird. Die Fasern können als Endlosfaser oder einzelne Fasern begrenzter Länge vorliegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden gepreßte Glasfasermatten aus Endlosfaser bevorzugt.

Die Fasern zur Verstärkung des Schaumkerns können beispielsweise auch gleichzeitig mit dem PUR-Reaktionsgemisch in die Form eingetragen werden. Beispiel eines solchen Verfahrens ist das LFI (Long Fiber Injection) Verfahren der Firma Krauss Maffai. Bei dem sog. LDI (Low Densitiy Structure) Verfahren werden hingegen Fasermatten eingesetzt, auf welche das Reaktionsgemisch aufgebracht wird.

Der GF-PUR-Schaumkern kann aus ein, zwei oder mehr Schichten im Sandwichsystem bestehen. Bevorzugt weisen die äußeren Schichten des Sandwichsystems die Faserverstärkung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Schaumkern aus nur einem einzigen Formteil. Vorzugsweise ist dieser Schaumkern mit zwei nah an seiner Oberfläche, aber vollständig in der Schaumstruktur angeordneten Glasfasermatten verstärkt. Zwischen den Glasfasermatten befindet sich vorzugsweise ein Abstandhalter, damit die Glasfasermatten beim Formen des Schaumkerns einen gewünschten Abstand zueinander behalten (= sog. Sandwichaufbau). Dieser Abstandhalter verbleibt nach dem Formen in dem Schaumkern. Als Abstandhalter wird vorzugsweise ein retikulierter Schaum, beispielsweise ein Polyurethanschaum mit bevorzugt grober Struktur eingesetzt. Dieser besitzt im Regelfall eine flächige Struktur, beispielsweise in Form einer Schaummatte. Diese weist vorzugsweise eine Dicke von 4 bis 20 mm, weiter bevorzugt von 6 bis 10 mm und besonders bevorzugt von 6 bis 8 mm auf. Als Abstandhalter kann auch eine sog. Enkamatte der Firma Akzo-Nobel eingesetzt werden. Diese besteht aus Endlosfäden (Polyamid), die unregelmäßig verteilt sind, um Zwischenräume zu lassen.

Der Schaumkern weist gemäß dem Einsatz als Karosserieaußenteil vorzugsweise eine flächige Struktur auf. Die Dicke des Schaumkerns beträgt vorzugsweise 2 bis 100 mm, weiter bevorzugt 5 bis 50 mm und besonders bevorzugt 10 bis 20 mm.

Die erfindungsgemäßen Karosserieaußenteile können nach dem bekannten one- shot oder dem ebenfalls bekannten Prepolymerverfahren hergestellt werden. Bei dem bekannten Prepolymerverfahren wird in einem ersten Schritt üblicherweise aus (a) und im Unterschuß (b) ein Isocyanatgruppen-aufweisendes Prepolymer hergestellt, das anschließend mit weiterem (b) zu den gewünschten Produkten umgesetzt wird.

Die Umsetzung zum Produkt kann beispielsweise durch Handguß, durch Hochdruck- oder Niederdruckmaschinen, oder durch RIM-Verfahren (reaction- injection-molding) bevorzugt in offenen Formwerkzeugen durchgeführt werden. Geeignete PU-Verarbeitungsmaschinen sind handelsüblich erhältlich (z. B. Fa. Elastogran, Isotherm, Hennecke, Krauss Maffei u. a.).

Die PUR-Dosierungsanlagen halten bevorzugt folgende Parameter ein:
Austragsleistung Polyolkomponente: 150 g/s bis 350 g/s, besonders bevorzugt 200 bis 300 g/s
Austragsleistung Isocyanat: 300 g/s bis 600 g/s, besonders bevorzugt 320 g/s bis 480 g/s
Komponentendrücke im Hochdruckkreislauf:
Isocyanat: 120 bis 200 bar
Polyol: 120 bis 200 bar
Komponentendruck in den Vorratsbehältern: 1,5 bis 4,5 bar.
Temperatur der Polyolkomponente im Vorlagebehälter: 16°C bis 30°C
Temperatur der Isocyanatkomponente im Vorlagebehälter: 16°C bis 30°C

Bei der Verarbeitung mit Polyurethan-Maschinen ist es auch vorteilhaft, wenn während der Verarbeitung die Vorlagebehälter unter vermindertem Druck stehen.

Die Ausgangskomponenten werden üblicherweise in Abhängigkeit vom Anwendungsfall bei einer Temperatur von 20 bis 36°C, vorzugsweise von 20 bis 24°C, gemischt und beispielsweise in das Formwerkzeug eingebracht. Die Vermischung kann mittels eines Rührers oder einer Rührschnecke durchgeführt werden, oder kann in einem üblichen Hochdruckmischkopf erfolgen.

Die Umsetzung des Reaktionsgemisches kann beispielsweise in üblichen, bevorzugt temperierbaren und verschließbaren Formen durchgeführt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Formwerkzeuge bevorzugt, deren Oberfläche möglichst glatt ist und bevorzugt keine Unebenheiten, Risse, Kratzer oder Verunreinigungen aufweisen. Die Oberfläche der Formen kann beispielsweise durch Polieren behandelt werden.

Als Formwerkzeuge zur Herstellung der Produkte können übliche und kommerziell erhältliche Werkzeuge eingesetzt werden, deren Oberfläche beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Emaille, Teflon, Epoxy-Harz oder einem anderen polymeren Werkstoff besteht, wobei die Oberfläche gegebenenfalls verchromt, beispielsweise hartverchromt sein kann. Bevorzugt sollten die Formwerkzeuge temperierbar, um die bevorzugten. Temperaturen einstellen zu können, verschließbar und bevorzugt zur Ausübung eines Druckes auf das Produkt ausgerüstet sein. Die Temperatur des Formwerkzeugs beträgt vorzugsweise 30 bis 60°C, weiter bevorzugt von 40 bis 50°C. Bei der Umsetzung von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten wird eine Temperatur der Ausgangskomponenten von vorzugsweise 18 bis 35°C, besonders bevorzugt 20 bis 25°C bevorzugt. Die Umsetzung der Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte erfolgt bevorzugt in einer Zeit von üblicherweise 2,5 bis 25 Minuten, besonders bevorzugt 2,5 bis 15 Minuten.

Der Schaumkern weist gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Beschichtung aus kompaktem Kunststoff, vorzugsweise Polyurethankunststoff (PUR) auf. Diese Beschichtung wird im Regelfall auf die Seite des Schaumkerns auf dessen Oberfläche aufgebracht, auf die nachfolgend eine dekorative Schicht, beispielsweise ein Lackierlack aufgetragen werden soll. Dies sind im Regelfall diejenigen Oberflächen, die bei dem Fahrzeug nach außen gerichtet sind. Die Beschichtung mit dem kompakten Kunststoff erfolgt in der Regel in einem dem Verfahrensschritt 1, in welchem der Schaumkern geformt wurde, nachfolgenden Verfahrensschritt 2.

Als Kunststoffe für die Beschichtung können die vorstehend beschriebenen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte verwendet werden, wobei jedoch eine kompakte, nicht-zellige Struktur gewünscht ist. Diese kann beispielsweise erreicht werden, indem keine Treibmittel (d) eingesetzt werden. Gegebenenfalls in den Komponenten (a) bis (e) enthaltenes Wasser sollte bevorzugt weitgehend, besonders bevorzugt vollständig entfernt werden, um eine unerwünschte Treibreaktion zu vermeiden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist das Karosserieaußenteil vorzugsweise eine Beschichtung aus elastischem Kunststoff auf. Die Zugfestigkeit eines solchen Kunststoffs beträgt vorzugsweise 10 bis 30, weiter bevorzugt 15 bis 25 N/mm², die Bruchdehnung beträgt vorzugsweise 60 bis 85%, besonders bevorzugt 75 bis 85% und die Weiterreißfestigkeit 50 bis 90 N/mm, besonders bevorzugt 50 bis 75 N/mm, wobei die obigen Werte entsprechend den einschlägigen DIN-Normen gemessen wurden. Die Beschichtung ist im Regelfall großflächig und vorzugsweise einseitig auf dem Schaumkern aufgebracht. Die Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von 1,5 bis 5 mm, weiter bevorzugt von 2 bis 3 mm und besonders bevorzugt von 2 bis 2,5 mm auf. Die Beschichtung ist im Regelfall nicht faserverstärkt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß sowohl der Schaumkern, der in dem Verfahrensschritt 1 geformt wird, als auch die Beschichtung, die im Verfahrensschritt 2 auf den Schaumkern aufgebracht wird, aus einem Polyurethan-Polyadditionsprodukt bestehen.

Die erfindungsgemäßen Karosserieaußenteile können anstatt einer Beschichtung eine thermoplatische oder metallische Folie aufweisen, die sich auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Schaumkerns befindet. Auf diese thermoplastische Folie kann gegebenenfalls ein Farbauftrag, beispielsweise mittels Lackierlack erfolgen. Die Herstellung des Karosserieaußenteils erfolgt, in dem der PUR- Schaumstoff in Verfahrensschritt 1, in welchem der Schaumkern geformt wird, gegen eine gegebenenfalls vorher tiefgezogen thermoplastische oder metallische Folie gespritzt wird und somit an dieser anhaftet. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Faserverstärkung bevorzugt mittels loser Fasern, die in dem Reaktionsgemisch enthalten sind (LFI-Verfahren).

Als thermoplastische Folie können allgemein bekannte Folien eingesetzt werden, beispielsweise übliche Folien auf der Basis von Acrylnitiril-Butadien-Styrol (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitiril-Styrol-Acrylester (ASA), Polycarbonat (PC), thermoplastischem Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, und/oder Polyvinylchlorid (PVC). Die Folien weisen bevorzugt eine Dicke von 1,0 bis 1,5 mm auf. Bevorzugt wird als thermoplastische Folie eine mindestens zwei Schichten enthaltende Folie eingesetzt, wobei eine Schicht einen ASA und/oder Polycarbonat-Werkstoff enthält. Besonders bevorzugt verwendet man eine Zweischichtfolie, wobei die erste Schicht auf PMMA basiert und die zweite Schicht auf ASA und/oder ASA/PC. Setzt man eine Zweischichtfolie ein, so haftet der Hartschaumkunststoff bevorzugt an ASA und/oder ASA/PC.

Zur Gewährleistung einer hohen mechanischen Stabilität, die für manche Anwendungen nötig ist, kann das erfindungsgemäße Karosserieaußenteil einen Verstärkungsrahmen, beispielsweise aus Aluminiumprofilen, aufweisen. Dieser wird in der Regel in Verfahrensschritt 1 mit dem Schaumkern fest verschäumt.

Die erfindungsgemäßen Karosserieaußenteile können hergestellt werden indem das Fasermaterial zur Verstärkung des Schaumkerns in das Formwerkzeug eingelegt, anschließend das Reaktionsgemisch für den PUR-Schaumstoff in die Form eingegeben und die Form nachfolgend verschlossen wird. Die Fasern zur Verstärkung des Schaumkerns können sowohl enthaltend in dem Reaktionsgemisch eingesetzt werden (LFI-Verfahren), als auch, wie vorstehend beschrieben, in Form von Matten oder Geweben. Vor dem Einfüllen der Reaktionsmischung kann des weiteren auch ein Verstärkungsrahmen, beispielsweise aus Aluminiumprofilen, in der Form plaziert werden.

Wird eine thermoplastische Folie verwendet, so wird diese bevorzugt vor dem Einlegen in das Werkzeug beflammt. Bei Metallfolien wird bei Bedarf die Schäumseite mit einem Primer (Epoxidharz) behandelt, der die Haftung zum PUR verbessert. Vorzugsweise wird die Seite der thermoplastischen Folie beflammt, die mit dem PUR-Schaumstoff in Kontakt tritt. Die Beflammung kann derart erfolgen, daß man mit einem Brenner beispielsweise mit rauschender, reduzierender blauer Flamme (Propangas, ca. 1300°C) in gleichmäßiger Geschwindigkeit die tiefgezogene Folie beflammt, wobei ein Entzünden und Verformen der Folie vermieden wird. Dieses bevorzugte Beflammen bewirkt zusätzlich eine deutliche Verbesserung der Haftung zwischen der thermoplastischen Folie und dem PUR-Schaumstoff.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die Ausgangskomponenten bzw. das Reaktionsgemisch für den Schaumkern mit einem robotergeführten Mischkopf in das Formwerkzeug einzubringen. Diese Verfahrensweise bringt den Vorteil, daß die Ausgangskomponenten für den Hartschaumstoff in reproduzierbarer Weise in die Form eingebracht werden, was bei einer Einbringung von Hand nicht immer gewährleistet ist. Ein sehr gleichmäßiger Eintrag der Ausgangskomponenten bzw. des Reaktionsgemisches in die Form kann erreicht werden, indem eine Breitschlitzdüse (Fächerdüse) zum Einspritzen der Ausgangskomponenten in die Form eingesetzt wird.

Die geformten, faserverstärkten Schaumkerne können durch spanende Bearbeitung in weiteren Verfahrensschritten weiter bearbeitet werden, beispielsweise durch Fräsen oder Bohren. Die Beschichtung selbst kann durch Schleifen und Säubern auf das anschließende Lackieren vorbereitet werden.

Bei Verwendung einer thermoplastischen Folie kann auf diese direkt ohne weitere Bearbeitung eine dekorative Schicht, wie Lackierlack aufgetragen werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Zeichnung und des darauf folgenden Herstellungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Karosserieaußenteils, insbesondere eines Hardtops.

Das in Fig. 1 dargestellte Karosserieaußenteil besteht aus einem PUR- Schaumkern 1 mit einer einseitig darauf aufgebrachten Beschichtung 2 aus kompaktem PUR. Der Schaumkern 1 beinhaltet zwei Glasfasermatten 3, die nahe der beiden Seitenflächen des Schaumkerns in dem Schaumkern eingeschäumt sind. Der Schaumkern 1 besteht aus PUR-Schaumstoff und weist eine offenzellige Schaumstruktur auf. In der Schaumstruktur des Schaumkerns 1 befindet sich des weiteren eingeschäumt ein Abstandhalter 4 aus retikuliertem PUR-Schaum. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet einen Profilrahmen, der die mechanische Stabilität des Gesamtbauteils gewährleistet und ebenfalls in der Schaumstruktur eingeschäumt ist.

Beispiel der Herstellung eines Hardtops aus glasfaserverstärktem PUR Fertigung des Schaumkerns in Verfahrensschritt 1

Für den Schaumkern wird ein Aluminium-Werkzeug verwendet. Das Oberteil des Werkzeugs kann über Kniehebel aufgeklappt werden.

Als Faserverstärkung wurden drei gepreßte Glasfasermatten aus Endlosfaser mit jeweils einem Flächengewicht von 0,450 kg/m² der Firma Vetrotex (Unifolio U 816) verwendet. Um das gewünschte dreidimensionale Design der Glasfasermatte zu erreichen, kann diese vorgeformt werden. Die Glasfasermatte ist so dimensioniert, daß sie sich über die gesamte Fläche des Hardtops erstreckt.

An dem Werkzeugoberteil wurde mittels eines Verstärkungsrahmens aus Aluminiumprofil eine entsprechend tiefgezogene Glasfasermatte befestigt. Auf das Werkzeugunterteil wurden ebenfalls zwei entsprechend tiefgezogene Glasfasermatten gelegt. Auf die Glasfasermatten im Werkzeugunterteil wurde eine Matte aus retikuliertem Schaum der Fa. Reisgies (Regicell 10) aufgelegt, die sich im wesentlichen über die gesamte Kavität erstreckt.

Die Temperierung des Formwerkzeugs betrug zwischen 35 und 70°C, bevorzugt 50 und 60°C.

Nachfolgend wurde ein PUR-Schaumsystem in programmierten Bahnkurven mit Hilfe eines Roboters durch einen Mischkopf in das Werkzeugunterteil auf den retikulierten Schaum und die darunter liegende Glasfasermatte aufgegeben. Die Eintragzeit betrug 10 bis 35 s, bevorzugt 12 bis 16 s.

Das verwendete Schaumsystem liefert einen offenzelligen PUR-Schaum mit einem Volumenanteil an offenen Zellen in seiner Matrix von etwa 70 bis 90 Vol.- %. Der Volumentanteil an offenen Zellen in der Schaumstruktur ohne Faserverstärkung wurde gemäß DIN ISO 4590 bestimmt.

Nach Beendigung des Eintrags wurde das Werkzeug für eine Zeit von 5 bis 30 min. bevorzugt 10 bis 20 min geschlossen, so daß der auftreibende Schaum gegen das geschlossene Werkzeug steigt. Das aufschäumende Reaktionsgemisch umschäumt den Verstärkungsrahmen und füllt die Hohlräume und Fehlstellen der Glasfasermatten aus.

Nach Ablauf der Reaktionszeit wurde das Werkzeug geöffnet und das hergestellte Bauteil entformt. Der hergestellte Schaumkern kann zur Verbesserung der Haftung zwischen Schaumkern und Beschichtung mechanisch aufgerauht werden. In Betracht kommen hierbei beispielsweise Schleifen oder Sandstrahlen.

Aufbringen der Beschichtung in Verfahrensschritt 2

Der so gefertigte Schaumkern wurde in ein weiteres Formwerkzeug eingelegt, bei welchem das Werkzeugunterteil etwas größer war als der Schaumkern selbst.

Zum Beschichten des Schaumkerns mit der Beschichtung wurde der Schaumkern an dem Oberteil des Formwerkzeugs befestigt und anschließend das Werkzeug geschlossen. Das Werkzeug war auf 45 bis 70°C, vorzugsweise 50 bis 60°C temperiert. Über einen Anguß wurde ein kompaktes PUR-System in den Freiraum zwischen Schaumkern und Werkzeugunterteil eingespritzt.

Nach Ablauf der Reaktionszeit wurde das Werkzeug geöffnet und das Hardtop entnommen.

Das Hardtop kann in weiteren Verfahrenschritten durch spanende Bearbeitung (Fräsen, Bohren usw.) weiter bearbeitet werden. Die Beschichtung kann durch Schleifen und Säubern zum anschließenden Lackieren aufbereitet werden.

Claims (11)

1. Karosserieaußenteil für Fahrzeuge aus faserverstärktem Kunststoffverbund­ material, welches einen faserverstärkten Schaumkern (1) aus Polyurethan(PUR)-Schaumstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern eine offenzellige Schaumstruktur aufweist.

2. Karosserieaußenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (1) ohne Faserverstärkung einen Volumenanteil an offenen Zellen von mehr als etwa 50 Vol.% in seiner Schaumstruktur aufweist.

3. Karosserieaußenteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (1) ohne Faserverstärkung einen Volumenanteil an offenen Zellen von etwa 70 bis 90 Vol.-% in seiner Raumstruktur aufweist.

4. Karosserieaußenteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (1) eine Beschichtung (2) aus einem kompakten Kunststoff aufweist.

5. Karosserieaußenteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (1) und/oder die Beschichtung (2) aus einem Polyisocyanat-Polyadditionskunststoff bestehen.

6. Karosserieaußenteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens auf einem Teil der Oberfläche des Schaumkerns (1) eine thermoplastische oder metallische Folie befindet.

7. Karosserieaußenteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern (1) zur Verstärkung eine flächige Glasfasermatrix (3) enthält.

8. Verfahren zur Herstellung von Karosserieaußenteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundmaterial für Fahrzeuge gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem in einem Verfahrensschritt 1 ein faserverstärkter Schaumkern (1) aus Polyurethan(PUR)-Schaumstoff geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumkern nach dem Formen eine offenzellige Schaumstruktur aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Verfahrensschritt 1 nachfolgenden Verfahrensschritt 2 der Schaumkern mit einem kompakten Kunststoff (2) beschichtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Polyurethan(PUR)-Schaumstoff in Verfahrenschritt 1 Hilfsstoffe zur Förderung der Offenzelligkeit der Schaumstruktur zugegeben werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethan(PUR)-Schaumstoff in Verfahrensschritt 1 gegen eine thermoplastische oder metallische Folie gespritzt wird.