DE19926417A1 - Sandwichbauteil - Google Patents

Abstract

Bei einem Sandwichbauteil (2), bestehend aus einer oberen und einer unteren Deckschicht (4) und einem dazwischenliegenden, spezifisch leichten Innenkern (6), wird erfindungsgemäß eine einfache, kostengünstige, ressourcenschonende und dennoch qualitativ hochwertige Bauweise dadurch erreicht, daß der Innenkern aus hohlrohrförmigen, in eine Matrix (10) eingebetteten Hanf-Schäben (8) herstellt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sandwichbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Sandwichbauteile dieser Art, bei denen die Deckschichten zumeist aus Faserverbundwerkstoff und der von diesen getrennt vorgefertigte Innenkern aus einer Hohlkörperstruktur, etwa einem Wabenkern, einem Verbund aus neben- oder übereinanderliegenden Metall- oder Kunst­ stoffröhrchen oder aus Schaumstoff besteht, erfordern einen relativ großen Herstellungsaufwand, zum einen, um eine ausreichend schubfeste Anbin­ dung der Deckschichten am Innenkern zu gewährleisten, und zum anderen, um beim Aushärten des Deckschichtlaminats unter Druck- und Wärme­ einwirkung zu verhindern, daß sich die Waben- oder Röhrchenstruktur des Innenkerns auf den Deckschicht-Außenflächen abzeichnet. Hinzu kommt, daß die Materialkosten für die einzelnen Sandwich-Bestandteile beträchtlich sind, so daß derartige Bauteile wegen ihrer, bezogen auf das Eigengewicht, hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zwar in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet, für Anwendungsfälle, in denen neben einer Gewichtsersparnis auch Kostengründe eine wesentliche Rolle spielen, hingegen nur in beschränktem Umfang geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sandwichbauteil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es kostengünstig und dennoch mit hoher Bauteil­ qualität herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Sandwichbauteil gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichbauteil enthält der Innenkern zum großen Teil pflanzliche Bestandteile, die als nachwachsender Rohstoff res­ sourcenschonend, energiesparend und preiswert produzierbar sind, und besitzt dennoch aufgrund der Faser- und Hohlraumstruktur der Pflanzenteile in Verbindung mit der diese einschließenden Kernmatrix eine hohe Laststabilität und ein geringes Raumgewicht, mit dem zusätzlichen Effekt, daß sich das so beschaffene Kernmaterial im unausgehärteten Zustand der Kernmatrix aufgrund der natürlichen Eigenelastizität der hohlkörperförmigen Pflanzenteile beim Anlaminieren der Deckschichten unter Druckwirkung gleichförmig an die Deckschicht-Innenflächen anpaßt, wodurch zum einen eine sichere Bindung zwischen Innenkern und Deckschichten erreicht und andererseits verhindert wird, daß sich die Innenkernstruktur durch das Deckschichtlaminat durchdrückt und dadurch die Oberflächenqualität des Sandwichbauteils beeinträchtigt. Die Erfindung entspricht somit in vollem Umfang der Forderung nach einer gewichtsmäßig leichten, qualitativ hochwertigen und kostengünstig herstellbaren Sandwichstruktur.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Faser­ pflanzenteile nach Anspruch 2 das Abfallprodukt einer Nutzpflanze, und zwar gemäß Anspruch 3 vorzugsweise Hanf-Schäben, wodurch eine weitere wesentliche Kostenersparnis erzielt wird.

Nach Anspruch 4 sind die Faserpflanzenteile vor dem Einbringen der Kern­ matrix zweckmäßigerweise getrocknet, um eine innige Einbettung der Pflan­ zenfasern in der Matrix sicherzustellen, ohne daß der Tränk- und Aushärt­ prozeß des Kernmaterials durch den Feuchtigkeitsgehalt der pflanzlichen Kernbestandteile gestört wird.

Im Hinblick auf eine fertigungsmäßige Vereinfachung und eine lastgerechte Faserorientierung sind die Faserpflanzenteile im Innenkern gemäß Anspruch 5 vorzugsweise mit einer zu den Deckschichten im wesentlichen parallelen Schichtung, und zwar innerhalb der einzelnen Schichten regellos, angeordnet.

Um das Leichtbaupotential der Sandwichstruktur weiter zu verbessern, besteht die Matrix nach Anspruch 6 vorzugsweise aus geschäumtem Kunststoff.

Werden die Deckschichten - wie üblich - ebenfalls aus Kunststoff, und im Rahmen der Erfindung zweckmäßigerweise aus einem naturfaserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt, so sind der Kunststoff für die Deckschichten und das Matrixsystem für den Innenkern nach Anspruch 7 vorzugsweise materialgleich ausgebildet und gemeinsam gehärtet, um so auf herstellungsmäßig einfache Weise und ohne Zwischenlage einer eigenen Klebstoffschicht eine homogene, hochgradig schubfeste Bindung zwischen Deckschichten und Kernmaterial zu erzielen.

Aus Fertigungsgründen empfiehlt es sich, das Kernmaterial gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise in einer die Kerndicke des fertigen Bauteils über­ steigenden Schichtdicke einzubringen und im ungehärteten Zustand der Kernmatrix gemeinsam mit den Deckschichten unter elastischer Verformung der Faserpflanzenteile auf die endgültige Bauteildicke zu verpressen und auszuhärten.

Nach Anspruch 9 ist die Sandwichstruktur vorzugsweise als Kofferraum­ boden eines Kraftfahrzeugs ausgebildet und mit zumindest einer in die Deckschichten eingekerbten Sollbruchstelle versehen, so daß sich der Sandwichboden bei einem Heckaufprall des Kraftfahrzeugs auffaltet und keinen unerwünschten Versteifungseffekt ausübt.

Nach Anspruch 10 schließlich ist zumindest eine der Deckschichten auf der Außenseite zweckmäßigerweise mit einem auf diese im ungehärteten Zustand aufgebrachten und gemeinsam mit dieser verpreßten Kaschierungs­ belag versehen. Hierdurch wird eine fertigungstechnisch sehr einfache Direktkaschierung des Sandwichbauteils, vor allem bei Verwendung als Innenaustattungsteil, erzielt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in stark schemati­ sierter Darstellung:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines Sandwichbauteils nach der Er­ findung;

Fig. 2a-d die schrittweise Herstellung des Sandwichbauteils nach Fig. 1; und

Fig. 3 das Sandwichbauteil nach Fig. 1 in Form eines Koffer­ raumbodens für ein Kraftfahrzeug.

Das in den Figur gezeigte Sandwichbauteil 2 enthält als Hauptbestandteile eine obere und eine untere Deckschicht 4.1 und 4.2 und einen dazwischen­ liegenden Innenkern 6. Die Deckschichten 4 bestehen aus einem Faserver­ bundlaminat mit einer Kunststoff-, z. B. Epoxid-, Polyester- oder Polyurethan- Matrix und einer Faserstruktur aus Natur-, z. B. Flachs- oder Hanffasern mit einer sich kreuzenden, quasi-isotropen Faserorientierung. Der Innenkern 6 besteht aus röhrchen- oder unregelmäßig quaderförmigen Faserpflanzen­ teilen mit Hohlraumeinschlüssen in Form von Hanf-Schäben 8, die in ein zu den Deckschichten 4 materialgleiches Matrixsystem 10 eingebettet und als unfraktioniertes Abfallprodukt der Hanfverarbeitung, d. h. ohne vorherige Klassifizierung nach Form und Größe, in einer relativ regellosen, zu den Deckschichten 4 im wesentlichen parallelen Schichtung im Sandwichkern 6 angeordnet sind. Das im Innenkern 6 enthaltene Schäbenmaterial kann jedoch auch vorgesiebt und fraktioniert sein, um eine gleichbleibendere Qualität sicherzustellen und die Kerneigenschaften optimal an die Anforderungen anpassen zu können.

Die Herstellung des Sandwichbauteils 2 erfolgt mit Hilfe eines zweiteiligen, beheizbaren Formwerkzeugs 12, in welches zunächst das mit der Harzmatrix getränkte, untere Deckschichtlaminat 4.1 eingebracht wird (Fig. 2a). Auf dieses werden dann die zuvor getrockneten Hanf-Schäben 8 in einer die Kerndicke des fertigen Bauteils übersteigenden Schichtdicke eingefüllt (Fig. 2b) und mit dem Matrixmaterial 10 gleichförmig durchtränkt (Fig. 2c), und anschließend wird die obere Deckschicht 4.2 im naßlaminierten Zustand aufgelegt und das Formwerkzeug 12 geschlossen (Fig. 2d). Durch einen gezielten Harzüberschuß in den Deckschichten 4 kann ggf auch auf eine Imprägnierung der Hanf-Schäben 8 (Fig. 2c) verzichtet werden, was eine schnellere Verarbeitung zur Folge hat.

Durch die Druck- und Wärmeeinwirkung des Formwerkzeugs 12 werden die Deckschichten 4 und das Kernmaterial 6 dann unter Kompression der Hanf- Schäben 8 auf die endgültige Bauteildicke verpreßt und innerhalb der Sandwichkomponenten eine homogene Verteilung des Matrixsystems vor allem auch im Grenzflächenbereich zwischen Innenkern 6 und Deck­ schichten 4 erzielt. Zur Verringerung des Raumgewichts kann dem Kernmaterial 6 ein Treibmittel beigegeben werden, durch das die Kernmatrix 10 während des Preßformprozesses aufgeschäumt wird. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials ist das Sandwichbauteil 2 fertiggestellt und kann entformt werden.

Die Kerndichte des so hergestellten Sandwichbauteils 2 liegt zwischen 300 und 700 kg/m³ und ist je nach Festigkeitsanforderungen variabel einstellbar.

Um eine gleichzeitige Kaschierung der Deckschichten 4 mit Teppich, Vlies, Folie, Holzfurnier oder dgl. zu erhalten, können diese in die Werkzeugober- und/oder -unterseite miteingelegt und mitverpreßt werden.

Fig. 3 zeigt ein Sandwichbauteil 2 in Form eines Kofferraumbodens für ein Kraftfahrzeug. Um zu verhindern, daß der Kofferraumboden bei einem Heckaufprall einen unerwünschten Versteifungseffekt ausübt, ist die untere Deckschicht 4.1 mit einer quer verlaufenden Einkerbung 14 versehen, so daß der Kofferraumboden eine bei einer Heckverformung des Fahrzeugs wirksame Sollfaltstelle besitzt. Im übrigen ist die Bau- und Herstellungsweise des Sandwichbauteils 2 gemäß Fig. 3 die gleiche wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung ist nicht nur auf einen Kofferraumboden, sondern auf Fahr­ zeugausstattungsteile jeder Art, aber auch für Möbel, z. B. Schrankwände oder Tischplatten, sowie auf dem Bausektor, etwa für Formschalelemente, anwendbar.

Claims (10)

1. Sandwichbauteil, bestehend aus einer oberen und unteren Deckschicht und einem dazwischenliegenden, spezifisch leichten Innenkern, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (6) aus hohlkörperförmigen, in eine Matrix (10) einge­ betteten Faserpflanzenteilen (8) hergestellt ist.

2. Sandwichbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserpflanzenteile (8) aus dem Abfallprodukt einer Nutzpflanze bestehen.

3. Sandwichbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserpflanzenteile (8) Hanf-Schäben sind.

4. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserpflanzenteile (8) vor dem Einbringen der Matrix (10) getrocknet sind.

5. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserpflanzenteile (8) im Innenkern (6) mit einer zu den Deck­ schichten (10) im wesentlichen parallelen Schichtung angeordnet sind.

6. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernmatrix (10) aus geschäumtem Kunststoff besteht.

7. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Deckschichten aus Kunststoff, insbesondere einem naturfa­ serverstärkten Verbundwerkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff der Deckschichten (4) und die Matrix (10) für die Fa­ serpflanzenteile (8) materialgleich ausgebildet und gemeinsam ausge­ härtet sind.

8. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial in einer die Kerndicke des fertigen Bauteils über­ steigenden Schichtdicke eingebracht und im ungehärteten Zustand der Kernmatrix (10) gemeinsam mit den Deckschichten unter elastischer Verformung der Faserpflanzenteile (8) auf die endgültige Bauteildicke verpreßt und erhärtet ist.

9. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Ausbildung als Kofferraumboden eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einer in die Deckschichten (4) eingekerbten, bei einem Heckaufprall wirksamen Sollfaltstelle (14).

10. Sandwichbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Deckschichten (4) auf der Außenseite mit einem auf diese im ungehärteten Zustand aufgebrachten und gemeinsam mit dieser verpreßten Kaschierungsbelag versehen ist.