Doppellagenblech aus zwei Deckblechen und einer Zwischenlage
Die Erfindung betrifft ein Doppεllagenblech aus zwei einen Zwischenraum zwischen sich bildenden Deckblechen, von denen mindestens ein Deckblech als Noppenblech ausgebildet und an seinen Noppenspitzen mit dem anderen Deckblech verschweißt ist, und aus einem den Zwischenraum ausfüllenden Füllmaterial.
Doppellagenbleche dieser Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt (DE 195 03 166 AI; DE 196 06 981 AI; Stahl und Eisen 117 (1997), Nr. 10, Seite 46).
Solche auch als Noppenbleche bezeichneten Doppellagenbleche finden vor allem Anwendung im Fahrzeugbau, weil sie sich durch eine hohe Steifigkeit bei relativ geringem Gewicht auszeichnen und noch in gewissen Grenzen umformbar, insbesondere tiefziehfähig, sind. Die charakteristische Dicke der Deckbleche liegt unter 1 mm, insbesondere unter 0,5 mm, und die des Füllmaterials zwischen 1 und 5 mm. Als Füllmaterial werden bei den bekannten Doppellagenblechen verschiedene Materialien, zum Beispiel gelochte Matten, insbesondere aus Kunststoff oder Zellulose, oder aber auch gelochte Aluminiumbleche, eingelegt. Bei gelochten Matten oder Aluminiumblechen greifen die Noppen des Noppenbleches durch die Löcher der Matte.
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Bei einem weichen Füllmaterial wie Zellulose wird das Füllmaterial bei einer Biegebelastung des Bleches zusammengedrückt, so daß schon bei verhältnismäßig leichten Lasten die Biegesteifigkeit des Bleches schnell abnimmt. Bei einem gelochten Aluminiumblech als Füllmaterial verhindert das Aluminiumblech, daß sich die Deckbleche stark annähern, weil das Aluminiumblech die Deckbleche abstützt. Bei zunehmender Biegebelastung besteht allerdings die Gefahr, daß das dem Angriffspunkt der Biegekraft gegenüberliegende, als Zuggurt wirkende Deckblech sich strafft und über das Aluminiumblech das als Druckgurt wirkende, dem Angriffspunkt der Biegekraft zugewandte Deckblech entgegen der Kraftrichtung der Biegekraft ausknickt.
Neben der Forderung, ein Doppellagenblech mit hoher Steifigkeit bei geringem Flächengewicht zu schaffen, besteht eine Forderung darin, es mit möglichst geringem Aufwand herzustellen. Es versteht sich, daß der Aufwand um so geringer ist, je weiter die Schweißstellen an den Noppenspitzen auseinander liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Doppellagenblech der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein besseres Verhältnis von Flächenträgheitsmoment zu Flächengewicht hat als die herkömmlichen
Doppellagenbleche und nicht zum Versagen durch Ausknicken neigt .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Doppellagenblech der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verhalten des Füllmaterials beim Zusammendrücken des Doppellagenbleches durch mindestens
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zwei Spannungs/Dehnungs-Kennlinien in Richtung senkrecht zur Blechebene gekennzeichnet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Doppellagenblech bestimmt bei leichter Biegekraft der Anteil des Füllmaterials mit der weichen Spannungs/Dehnungs-Kennlinie die Biegelinie des Doppellagenbleches. Steigt die Biegekraft an, dann wird der Anteil des Füllmaterials mit der härteren Spannungs/Dehnungs-Kennlinie wirksam, der verhindert, daß sich die Deckbleche weiter annähern und dadurch das Trägheitsmoment des Doppellagenbleches immer weiter vermindert wird.
Um die durch Biegung hervorgerufene Schubbelastung der Gurte gegeneinander bei einem Minimum an Schweißstellen an den Noppenspitzen besser vertragen zu können, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Füllmaterial mit den Deckblechen vollflächig verklebt ist .
Vorzugsweise wird die weichere Spannungs/Dehnungs- Kennlinie so gewählt, daß der von ihr bestimmte wirksame Federweg 2% bis 8% der Dicke des Füllnaterials beträgt. Für die weichere Spannungs/Dehnungs-Kennlinie sollte der E-Modul senkrecht zur Blechebene (Z-Richtung) kleiner als 50 MPa sein, während er für die härtere wesentlich größer als 50 MPa und wesentlich kleiner als 210.000 MPa sein sollte. Er sollte vorzugsweise mindestens 500, besser 1.500 MPa, betragen.
Das Verhalten des Füllmaterials beim Zusammendrücken des Doppellagenbleches, das durch die beiden Spannungs/Dehnungs-Kennlinien ohne die Stützwirkung der Noppen gekennzeichnet ist, läßt sich zum Beispiel dadurch
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verwirklichen, daß das Füllmaterial aus einem insbesondere porösen Kunststoff als Matrix mit darin eingebetteten Partikeln aus einem die härtere Spannungs/Dehnungs-Kennlinie bestimmenden Material besteht. Als den die Matrix bildenden Anteil des Füllmaterials eignet sich besonders ein Füllmaterial, dessen E-Modul in Z-Richtung kleiner als 20 MPa ist.
Vorzugsweise wird bei dem die Matrix bildenden Anteil des Füllmaterials ein Kunststoff verwendet, in dem dispergierte Kunststoff-Hohlkügelchen verteilt sind, die bei einer mittleren Temperatur, die unter der Temperatur für die Vollaushärtung (Vernetzung) liegt, schmelzen. Dabei handelt es sich insbesondere um ein duroplastisches Material, denn dann entsteht durch das Aufschmelzen der die Poren bildenden Hohlkügelchen ein duroplastischer Schaumstoff, der als Zwischenlage in dem DoppellagenbLech wegen seiner Formstabilität ein Umformen des Doppellagenbleches, insbesondere Tiefziehen, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Steifigkeit des Doppellagenbleches infolge von Ablösungen und Rißbildungen im Füllstoff erlaubt und außerdem Lackeinbrenntemperaturen von bis zu ca. 220°C verträgt.
Um das Flächengewicht des Doppellagenbleches möglichst niedrig zu halten, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der als Matrix aus Kunststoff dienende Anteil des Füllmaterials dispergierte Hohlkügelchen aus Kunststoff mit bis zu 70 Vol% enthält, die durch Aufschmelzen im Füllmaterial des fertigen Bauteils verteilte, gegeneinander abgeschlossene Poren erzeugen .
Die härtere Spannungs/Dehnungs-Kennlinie des Fullmaterials wird vorzugsweise von Hartkorpern bestimmt, die in dem Fullmaterial mit bis zu 10 Vol% enthalten sein können oder bis zu 5 % des Gewichtes des Doppellagenbleches betragen können. Um beim Einsatz von Hartkorpern die weiche Spannungs/Dehnungs-Kennlinie zur Wirkung kommen zu lassen, sollte die Ausdehnung der Hartkorper in Richtung senkrecht zur Blechebene (Z-Richtung) 2% bis 8% kleiner als der Abstand der Deckbleche sein. Der gegenseitige Abstand aller Hartkorper in der Blechebene sollte im Durchschnitt das 3 bis 7fache des Abstandes der Deckbleche betragen. Als Hartkorper eignen sich solche aus Glashohlkugeln, Keramikhohlkugeln oder Metall. Hartkorper aus Glas oder Keramik sind allerdings nur dann verwendbar, wenn das Doppellagenblech nicht montageschweißbar zu sein braucht, das heißt, keine Strombrucke für eine
Widerstandsschweißung der Deckbleche benotigt wird. Im anderen Fall wird man metallische Hartkorper verwenden. Die Hartkorper sollten allerdings eine geringere Harte als die Deckbleche haben, damit sie bei der Umformung des Doppellagenbleches nicht die Deckbleche beschädigen. Als Form für die Hartkorper eignen sich Hohlkörper, wie zum Beispiel gebogene Spane, spratziges Korn, Bruchstucke von Metallschaum, zum Beispiel aus unberuhigt vergossener Stahlschmelze, oder Aluminium-Hohlpulver . Im Falle von scharfkantigen metallenen Hartkorpern, zum Beispiel aus gebogenen Stahl- oder Aluminiumspanen, lassen sich problemlos Montageschweißungen durchfuhren, weil bei der Widerstandsschweißung die metallenen Hartkorper das aus Kunststoff bestehende, noch nicht ausgehartete Fullmaterial beim Zusammendrucken der Deckbleche durchschneiden und dann eine elektrische Kontaktbrucke zwischen den Deckblechen am Schweißort bilden.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sollte für das Fullmaterial ein unter Warme zu einem zähen Zustand aushärtender Kunststoff verwendet werden. Vorzugsweise sollte die vollständige Aushärtung (Vernetzung) zwischen 150°C und 230°C erfolgen. Die volle Aushärtung in diesem Temperaturbereich ist insofern von Vorteil, als in diesem Temperaturbereich auch die Temperatur für das Einbrennen eines Lackes liegt. Das Einbrennen des Lackes auf dem Doppellagenblech und die volle Aushärtung des Kunststoffes kann dann in einem Arbeitsschritt erfolgen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Doppellagenbleches, das unter Verwendung von insbesondere metallische Hartkorper enthaltendem Fullmaterial durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Auf die genoppte Seite des als Noppenblech ausgebildeten Deckbleches wird das Fullmaterial aus unter Warme aushartbarem Kunststoff mit verformbaren Hartkorpern aufgetragen, die eine Erstreckung senkrecht zur Blechebene haben, die mindestens so groß wie der Abstand der Deckbleche ist.
b) Das andere Deckblech wird aufgelegt, angedruckt, damit die Fullmenge ausgebreitet wird, und an das Noppenblech im Bereich der Noppenspitzen angeschweißt oder hartgelötet .
c) Nach einer Teilaushartung des Kunststoffes wird das Doppellagenblech mit Druck derart beaufschlagt, daß die Hartkorper verformt und auf eine unter dem Abstand der Deckbleche liegende Große verkleinert werden.
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d) Nach Druckentlastung wird das Füllmaterial zu einem zähen Zustand ausgehärtet.
Nach dem Anschweißen beziehungsweise Hartlöten im Bereich der Noppenspitzen sollte das Deckblech nachgedrückt werden, um das Füllmaterial in verbliebene Zwischenräume zu verteilen.
Sofern das Doppellagenblech umgeformt werden soll, sollte die Umformung zwischen der Teil- und Vollaushärtung des Kunststoffes des Füllmaterials erfolgen, weil im teilausgehärteten Zustand das Umformen ohne Beeinträchtigung des Flächenträgheitsmomentes erfolgen kann. Würde man vollausgehärtet umformen, könnten Risse in der Füllmasse und Ablösungen von den Gurten auftreten. Die Vollaushärtung kann mit Epoxidharz so ausgestaltet werden, daß Risse und Ablösungen ausheilen .
Das Auftragen des Füllmaterials π.it verformbaren Hartkörpern kann durch Extrudieren oder in Form einer entsprechend der Noppenverteilunσ gelochten Matte aus teilausgehärtetem Kunststoff erfolgen. Als Kunststoff haben sich duroplastische Kleber als geeigneter als thermoplastische Kleber herausgestellt. Die Verwendung von Epoxidklebern ist von Vorteil, weil diese Kleber eine, wenn auch geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die gewährleistet, daß bei einem elektrostatischen Lackieren auch die Schnittkanten des Doppellagenbleches Lack annehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Das
Ausführungsbeispiel zeigt im Schnitt ein Doppellagenblech .
Das Doppellagenblech besteht aus zwei einen Zwischenraum zwischen sich bildenden Deckblechen 1,2 aus verzinktem Stahlblech mit einer Dicke von jeweils weniger als 0,5 mm, insbesondere 0,30 mm, und aus einem den Zwischenraum ausfüllenden Füllmaterial 3. Während das eine Deckblech 1, das bei Verwendung als Karosserieblech die Außenhaut bildet, glatt ist, weist das andere Deckblech 2 kegelstumpfförmige Noppen 4 auf, die an den Stirnflächen 4a mit dem glatten Deckblech 1 verschweißt oder angelötet sind. Die Höhe der Noppen 4 und damit der Abstand d der Deckbleche 1,2 liegt zwischen 1 und 5 mm. Die Noppen 4 haben einen Abstand von 15 mm bis 40 mm.
Das Füllmaterial 3 besteht aus Kunststoff, insbesondere einem Epoxidharz, einem Härter, einem Beschleuniger und einem Kohlenwasserstoffharz und dient als Matrix für darin eingebettete verschiedenartige Körper. Der Kunststoff 3 ist so beschaffen, daß er bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur unvollständig und glasig und bei erhöhten Temperaturen von ca. 170°C bis 210°C vollständig (vernetzt) zu einem zähen Zustand aushärtet. Ein derartiger Kunststoff erlaubt im teilausgehärteten Zustand die Umformung, insbesondere das Tiefziehen. Ein solcher Kunststoff ist mit den Deckblechen 1,2 verklebt, wodurch die Schubfestigkeit des Doppellagenbleches erhöht und damit die Scherbeanspruchung des Doppellagenbleches an den verschweißten Stirnseiten der Noppen 4 entlastet wird.
Zur Verminderung des Flächengewichtes sind in dem Kunststoff-Füllmaterial 3 eine Vielzahl von sehr kleinen
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Hohlkügelchen aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff bis zu einem Volumenanteil von 70% eingebettet. Als Material für die Hohlkügelchen wird ein Kunststoff verwendet, der bei mittleren Temperaturen von ca. 140°C schmilzt. Die Hohlkügelchen hinterlassen dann in dem vorzugsweise duroplastischen Kunststoff gegeneinander abgeschlossene Hohlräume, so daß ein duroplastischer Schaumstoff entsteht.
Außerdem sind in dem Kunststoff-Füllmaterial 3 Hartkörper derselben Art oder verschiedener Art eingebettet. Diese Hartkörper, vorzugsweise aus Metall, können Hohlkugeln 6, Metallschaumbruchstücke 7, kurze gebogene Metallspäne 8 oder sogenanntes spratziges Metallkorn 9 sein. Wichtig ist, daß diese Hartkörper 6-9 im umgeformten fertigen Bauteil senkrecht zur Ebene des Doppellagenbleches eine geringere Ausdehnung als der Abstand d der Deckbleche «1,2 haben. In der Blechebene sollten die einzelnen Hartkörper einen größeren Durchmesser als den Abstand d der Deckbleche 1,2 haben, während ihre Abstände im geometrischen Mittel in der Blechebene das 3 bis 7fache des Abstandes d der Deckbleche 1,2 betragen sollte. Die Summe der in Z-Richtung zwei möglichen Abstände der Hartkörper 6-9 zu den Deckblechen 1,2 sollte 2% bis 8% des Abstandes der Deckbleche 1,2 im fertig umgeformten Bauteil betragen.
Auch ist von Bedeutung, daß die Hartkörper 6-9 zumindest teilweise scharfkantig sind, um das als Matrix dienende Füllmaterial 3 durchschneiden und vor der Vollaushärtung in der Lackeinbrenneinrichtung die Deckbleche 1,2 elektrisch kontaktieren zu können. Als besonders geeignet hat sich die Herstellung und Verwendung von Spänen aus Aluminiumdruckguß herausgestellt, weil sie zu einem
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3^-Kreis (3 bis 8 mm Durchmesser) gebogen abbrechen und genügend scharfkantig sind bei Spandicken von 0,2 bis 0, mm.
Die Herstellung des beschriebenen Doppellagenbleches erfolgt in der Weise, daß auf das Deckblech 2 mit nach oben gerichteten Noppen 4 das Füllmaterial 3 entweder durch Extrusion oder in Form einer teilausgehärteten entsprechend der Verteilung der Noppen 4 gelochten Matte aufgetragen wird. Die metallenen Hartkörper 6-9, die zum Beispiel 1-3% des Gewichts des ganzen Doppellagenbleches ausmachen, haben einen größeren Durchmesser beziehungsweise Höhe als der spätere Abstand d der Deckbleche 1,2. Das Füllmaterial wird gegenüber den Stirnflächen 5 der Noppen 4 etwas überhöht aufgetragen. Dann wird das Deckblech 1 aufgelegt, an den Noppen druckbeaufschlagt und an den Stirnflächen 5 der Noppen- verschweißt, dann vollständig bis auf den Abstand d druckbeaufschlagt, um die Füllmasse zu verteilen. Nach einer Teilaushärtung des Füllmaterials 3 erfolgt eine erneute Druckbeaufschlagung in einem geeigneten Werkzeug (Tiefziehwerkzeug, Walzenpaar, Presse) derart, daß die zu großen Hartkörper 6-9 auf eine Größe verkleinert werden, die kleiner als der spätere Abstand d der Deckbleche 1,2 ist. Aufgrund der Noppen- und Schaum-Elastizität federt es nach Druckentlastung bis auf die Dicke d zurück. Die volle Aushärtung erfolgt entv/eder sofort danach oder beim späteren Einbrennlackieren.
Sofern das Doppellagenblech umgeformt werden soll, um es zum Beispiel im Fahrzeugbau einzusetzen, erfolgt die Umformung, insbesondere das Tiefziehen, vor der vollen Aushärtung nach der Teilaushärtung. Dieser Zustand ist für das Umformen gut geeignet. Beim Umformen kann zwar
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ein Brechen und teilweises Ablösen der Zwischenschicht von den Deckschichten stattfinden, doch wird diese Erscheinung wieder rückgängig gemacht, weil sich die Poren um ca. 10% linear ausdehnen und die noch klebefähige Masse an die Gurte drücken. Es hat sich auch gezeigt, daß insbesondere ein wie oben beschrieben hergestellter Duroplastschaum bei der Vollaushärtung bei Temperaturen bis über 200°C über 20 Minuten nicht ausfließt, so daß die Lackierung bei der Lackeinbrennung nicht durch Tropfenlauf beschädigt wird.