AT504078B1 - Auf biegung, zug-druck, schub oder torsion beanspruchter stab- oder rohrförmiger teil - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen auf Biegung, Zug-Druck, Schub oder Torsion beanspruchten stab-oder rohrförmiger Teil mit einer dünnwandigen, vorzugsweise außen und/oder innen glattwan-digen, einen Hohlraum begrenzenden rohrförmigen Hülle und mit einem im Hohlraum vorgesehenen und diesen füllenden zellularen Werkstoff, gebildet von einer Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlkörpern, vorzugsweise Hohlkugeln, wobei die Hohlkörper innerhalb der Hülle in einer geordneten Struktur vorgesehen sind, wie kubisch raum- oder kubisch flächenzentriert.

Sportgeräte, die zumindest teilweise stab- oder rohrförmig gestaltet sind, wie Golfschläger, Nordic Walking-Stöcke, Schistöcke, Fahrradrahmen etc., werden im wesentlichen aus eine tragende Funktion erfüllenden Rohren gefertigt, die speziell dimensioniert sind bzw. aus speziellen Materialien gebildet sind, sodass die Bewegung des Sportlers zielgerichtet übertragen werden kann, d.h. es muss einerseits die Körperkraft des Sportlers zur Durchführung des Sports möglichst verlustfrei in Bewegung umgesetzt werden, und andererseits soll eine zu hohe Belastung der Gelenke bzw. Sehnen bzw. Muskulatur des Sportlers zwecks Hintanhalten von Verletzungen vermieden werden. Hierbei müssen zudem Schwingungen des Sportgerätes möglichst vermieden werden.

In der Robotertechnik werden sehr hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit für rohrförmige Arme der Roboter bzw. Manipulatoren gestellt, die unter Umständen auch hohe Kräfte zu übertragen haben, beispielsweise beim Einsetzen von Motoren in Karosserien etc. Aus diesem Grund sind solche Arme weit überdimensioniert, was ein hohes Gewicht und damit hohe Kosten und auch hohe Antriebskräfte erfordert.

Es ist bekannt, Hohlräume rohrförmiger Teile der eingangs beschriebenen Art mit zellularen Materialien, und zwar metallischen Schäumen, zu füllen. Solche Schäume weisen eine geringe Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Steifigkeit, gute Dämpfungs- und Energieabsorptionseigenschaften sowie Nichtbrennbarkeit und eine räumliche Anpassungsfähigkeit auf. Schäume werden daher in der Transportwirtschaft sowie in der Luft- und Raumfahrtsindustrie angewendet.

Um rohrförmige Teile der eingangs beschriebenen Art genau beanspruchungsgerecht herzustellen, ist eine genaue Kenntnis der mechanischen, bruchmechanischen und werkstofflichen Eigenschaften sowie des Ermüdungsverhaltens erforderlich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass metallische Schäume diesen Anforderungen nicht gerecht werden können, zumindest lassen sich genaue Berechnungen für beanspruchungsgerechte Dimensionierungen infolge der Inhomogenität der Schäume nicht durchführen. Daher werden als Einsatzgebiet für solche metallischen Schäume nur Bereiche mit Druckbelastung oder Totalversagen („Crash Absorber“ in einer Stoßstange) gewählt. Für Einsatzbereiche, in denen die metallischen Schäume definierten Zug-Druck-Belastungen, Biegebelastungen, Schubbelastungen oder Torsionsbelastungen standhalten sollen, ergeben sich Probleme aufgrund des inhomogenen Aufbaus und aufgrund fertigungsbedingter Fehler, z.B. durch zu große Metallblasen in der Struktur. Es kann zu einem unkontrollierten Versagen eines mit metallischen Schäumen versehenen Bauteils kommen. Dies trifft auch auf Hohlkörper zu, deren Hohlraum mit anderen - kleineren - Hohlkörpern, wie z.B. Hohlkugeln in mehr oder weniger ungeordnetem Zustand, gefüllt ist.

Aus diesem Grund konnte auch kein Werkstoffgesetz, wie das Hooksche Gesetz, für das homogen-isotrope Verhalten von Schäumen bzw. für mit Hohlkörpern gefüllte rohrförmige Teile gefunden werden. Für Konstrukteure waren daher diese Werkstoffe, weil nicht berechenbar, nicht einsetzbar. Dies ist auch der Grund, weshalb bis heute Werkstoffwissenschaftler der Meinung sind, zellulare Werkstoffe können nicht für Strukturbauteile eingesetzt werden. Unter Strukturbauteil wird ein Einzelteil verstanden, der einen Beitrag zur Funktion durch Übernahme von Biegemomenten, Torsionsmomenten, Längskräften und Querkräften als innere Schnittgrößen gemäß Festigkeitslehre leistet. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bauteil hat ein Strukturbauteil auch eine tragende Funktion, zumeist in einem Gesamtkomplex, woraus folgt, dass er verschiedenen Belastungen ausgesetzt ist. Sein Hauptzweck liegt in der Last- und 3 AT 504 078 B1

Kraftübertragung bzw. Last- und Kraftaufnahme unter zulässigen oder gewünschten Verformungen, sowie in der Dämpfung und in Energieabsorptionseigenschaften.

Die Erfindung bezweckt eine Weiterentwicklung von Teilen mit zellularem Werkstoff dahingehend, dass eine einwandfreie Berechnung zu erwartender Verformungen bei Belastung, sei es durch Zug, Druck, Biegung, Schub und/oder Torsion, ermöglicht ist, wobei Eigenschaften wie Leichtigkeit des Teils, gute Energieabsorption, anpassbare Steifigkeit und gute Dämpfung vorhanden sein sollen. Ein unkontrolliertes Versagen soll grundsätzlich vollständig vermieden werden können. Solche Teile sollen für sich als Strukturbauteil zur Übertragung von Strukturlasten einsetzbar sein, wobei der Hülle in erster Linie keine tragende Funktion, sondern gestalterische, optische oder sonstige Funktionen, wie z.B. Vermeidung von Verschmutzungen, zukommen.

Diese Erfindung wird für Teile der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Hohlkörper aus metallischem Werkstoff gebildet sind und der - insbesondere als Sportgerät zu verwendende - hoch beanspruchbare Teil ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40 aufweist, wobei weiters das Verhältnis der Wandstärke der Hülle zu ihrem maximalen Durchmesser im Bereich von 0,0005 bis 0,083, vorzugsweise in einem Bereich von 0,005 bis 0,05 und insbesondere in einem Bereich von 0,007 bis 0,05 liegt.

Die Erfindung gestattet es, mit einer besonders dünnen Hülle auch für hoch belastete Teile auszukommen, sodass die Hülle vorzugsweise in erster Linie dazu dient, den Teil optisch vorteilhaft erscheinen zu lassen, bzw. dazu dient, dass der Teil mit benachbarten Teilen einwandfrei zu verbinden ist. Die Hülle ist daher erfindungsgemäß dünner gestaltet als bei einem gleichen hohlen rohrförmigen Teil - bei gleicher oder höherer Belastbarkeit.

Aus der DE 102 46 167 A1 ist es bekannt, einen rohrförmigen Körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu bilden, der eine Hülle aufweist, in der kugelförmige Hohlkörper kubisch flächenzentriert oder kubisch raumzentriert eingebracht sind, wobei die kugelförmigen Hohlkörper miteinander und auch mit der Hülle verbunden sind. Sowohl die Hülle als auch die kugelförmigen Körper sind aus Kunststoff gebildet.

Nachteilig bei einem solchen Körper aus Kunststoff ist, dass dieser nicht zum Einsatz für hochbelastete Teile geeignet ist.

Aus der DE 39 02 032 A1 ist es bekannt, metallische kugelförmige Hohlkörper durch Sintern zu verbinden und die Hohlräume zwischen den Kugeln mit pulverförmigen Metallen, Metalllegierungen oder intermetallischen Verbindungen aufzufüllen und dieses Gebilde fertig zu sintern.

Als Nachteil dieser Ausführung eines Leichtbauteils ist zu nennen, dass die Kugeln im fertig gesinterten Bauteil in einem metallischen Vollmaterial eingebettet sind. Somit ist ein derartig gebildeter Körper einem erfindungsgemäßen Körper, bei dem zwischen den Kugeln Hohlräume frei bleiben, zumindest die Leichtigkeit der Bauweise betreffend unterlegen.

Um einen Hohlraum möglichst effizient mit Hohlkörpern füllen zu können, weisen erfindungsgemäß die Hohlkörper einen maximalen Durchmesser von 20 mm, vorzugsweise einen Durchmesser von 1,5 bis 15 mm, insbesondere von 2 bis 12 mm auf.

Vorzugsweise berühren die Hohlkörper die Hülle zumindest tangential, wobei zweckmäßig die Hülle mit den sie berührenden Hohlkörpern verbunden ist.

Die Verbindung der Hohlkörper untereinander und/oder die Verbindung der Hohlkörper mit der Hülle kann - wie an sich bekannt - durch Verkleben mit Hilfe eines Klebstoffes, durch Sintern oder auch durch Löten bewirkt werden. 4 AT 504 078 B1

Als Material für die Hohlkörper eignet sich bestens Stahl und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Magnesium und/oder eine Legierung aus diesen Metallen.

Als besonders geeignet für die Erfüllung der eingangs erwähnten Anforderungen ist ein Teil dann, wenn bei einer kubisch raumzentrierten Anordnung von Hohlkugeln die Kugeldurchmesser der raumzentriert angeordneten Hohlkugeln geringer bemessen sind als die Durchmesser der benachbarten Hohlkugeln, sodass eine Berührung sämtlicher unmittelbar benachbarter Hohlkugeln gegeben ist.

Erfindungsgemäße Teile können als Stock für Schifahrer, Nordic Walker, Wanderer oder Bergsteiger oder als Golfschlägerschaft, als Baseball-Schläger, als Segelmast oder als Rahmen für Fahrräder, Hometrainer oder ein Fitnessgerät ausgebildet sein, bzw. können sie als Arm für Roboter oder Manipulatoren mit jeweils hohen Anforderungen für Positioniergenauigkeit ausgebildet sein.

Ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Teiles ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper in einen Sekundärhohlraum eines Werkzeugs, der zumindest teilweise dem Hohlraum der Hülle des herzustellenden Teils entspricht, geordnet, vorzugsweise kubisch raumoder kubisch flächenzentriert, eingebracht werden und in diesem Sekundärhohlraum - wie an sich bekannt - miteinander verbunden werden, worauf die von den Hohlkörpern gebildete Struktur als Ganzes dem Sekundärhohlraum entnommen wird, gegebenenfalls mit mindestens einer ebenso hergestellten weiteren Struktur verbunden wird und in die Hülle des herzustellenden Teils eingebracht wird.

Insbesondere zur Erzielung einer geordneten Anordnung der Hohlkörper hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Hohlkörper vor dem Einbringen in den Hohlraum bzw. Sekundärhohlraum hinsichtlich ihrer Größe klassifiziert werden, worauf vorzugsweise zusätzlich eine Kontrolle der Hohlkörper hinsichtlich Schalendicke und gegebenenfalls hinsichtlich Materialzusammensetzung durchgeführt wird.

Um ein Verbinden der Hohlkörper mit der Hülle des herzustellenden Teils zu garantieren, ist vorteilhaft der Sekundärhohlraum um den beim endgültigen Verbinden der Hohlkörper zu erwartenden Schwund größer bemessen als der Hohlraum des herzustellenden Teils.

Es kann das Einbringen der von endgültig miteinander verbundenen Hohlkörpern gebildeten Hohlkörperstruktur in die Hülle dadurch erleichtert werden, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Hülle und der Hohlkörperstruktur eingestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Hohlkörper im Sekundärhohlraum endgültig miteinander verbunden, wobei nach einer weiteren Variante fertig gesinterte Hohlkörper außenseitig mit einer Schicht aus Klebstoff beschichtet und in den Sekundärhohlraum eingesetzt werden, wobei die Wände des Sekundärhohlraums vor dem Einbringen der Hohlkörper mit einer Antihaftbeschichtung beschichtet werden und weiters vorteilhaft der Sekundärhohlraum zwecks Ausbildung von stabilen Klebehälsen zwischen den Hohlkörpern einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.

Eine andere Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Hohlkörper Poren aufweisen, die mit einem Lot versehen sind, und die endgültige Verbindung der Hohlkörper durch Aussetzen des Sekundärhohlraumes einer erhöhten Temperatur erzielt wird, und zwar derart, dass an den Kontaktstellen der Hohlkörper Lothälse durch aus den Poren austretendes Lot gebildet werden.

Es ist auch möglich, dass die Hohlkörper innerhalb des Sekundärhohlraumes miteinander nur provisorisch verbunden werden, vorzugsweise mittels eines Entbinders und mittels eines Trocknungsprozesses, wobei vorteilhaft die Hohlkörper vor dem provisorischen Verbinden teilgesin- 5 AT 504 078 B1 tert sind und weiters zweckmäßig die endgültige Verbindung der Hohlkörper außerhalb des Sekundärhohlraumes durch Sintern der Hohlkörperstruktur in einem Sinterofen erfolgt.

Zur Herstellung einer belastungsgerechten Konstruktion des Teiles wird bei dessen Gestaltung wie folgt vorgegangen: a) Auswahl des Werkstoffes der Hohlkörper b) Auswahl des Werkstoffes der umgebenden Hülle c) Auswahl des Werkstoffes der Halsverbindungen der Hohlkörper (Klebstoff, Lot oder Sinterwerkstoff) d) Auswahl eines Werkstoffgradienten (benachbarte Hohlkörper sind aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut) e) Auswahl der Hohlkörperdurchmesser f) Auswahl der Schalendicke g) Auswahl der Abmessungen der umgebenden Hülle h) Auswahl der Positionen der Hohlkörper zueinander i) Auswahl eines Durchmessergradienten (benachbarte Hohlkörper sind größer oder kleiner) j) Auswahl eines Gradienten der Schalendicke (benachbarte Hohlkörper weisen eine Schalendicke auf, die kleiner oder größer ist).

Vorzugsweise wird aus den Hohlkörpern ein Probekörper gebildet, und zwar entsprechend dem Verfahren, nach dem der Teil hergestellt werden soll, wobei dieser Probekörper als Zug-, Biege-, Umlaufbiege- oder Stauchprobe dient, und wobei die hierbei gewonnenen Messdaten der Berechnung des herzustellenden Teils zugrundegelegt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt das Ende eines rohrförmigen Teils in Schrägrissansicht, Fig. 2 in Richtung des Pfeiles II gesehen. Fig. 3 veranschaulicht eine Hohlkörperstruktur kubisch flächenzentriert und Fig. 4 kubisch raumzentriert, jeweils in Schrägrissansicht.

Fig. 5 erläutert das Einbringen einer Hohlkörperstruktur mit entweder endgültig miteinander verbundenen Hohlkörpern oder provisorisch verbundenen Hohlkörpern in eine Hülle. Die Fig. 6A und 6B zeigen jeweils einen Teil eines Werkzeuges, das in Fig. 7 dargestellt ist, zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Teiles.

In Fig. 1 ist ein stabförmiger Teil 1 (nachfolgend auch Bauteil genannt) in Schrägrissansicht und quer zu seiner Längserstreckung geschnitten veranschaulicht, der beispielsweise für den Schaft eines Golfschlägers oder für den Schaft eines Schistockes dienen kann. Dieser Teil 1 weist eine rohrförmige dünnwandige Hülle 2 auf. In dem von der Hülle 2 gebildeten Hohlraum 3 sind metallische Hohlkugeln 4 in flächenzentrierter Raumordnung eingesetzt.

Diese Hohlkugeln 4 weisen alle ein- und denselben Durchmesser 5 auf und sind mit Klebehälsen 6 miteinander verbunden. Die Durchmesser 5 der Hohlkugeln 4 sind derart gestaltet, dass sieben in einer Ebene angeordnete Hohlkugeln 4 den Hohlraum 3 der Hülle derart quer zu seiner Längsrichtung ausfüllen, dass sie innenseitig an der Hülle 2 berührend anliegen. Die Hohlkugeln 4 sind weiters mit der Hülle 2 ebenfalls mit Klebehälsen 6 verbunden. Anstelle von Hohlkugeln 4 können auch anders gestaltete Hohlkörper Verwendung finden, wie würfelartige oder ovale Hohlkörper. Die Form der Hohlkörper ist vorteilhaft entsprechend der Form des Hohlraumes 3 angepasst, sodass ein guter Kontakt zwischen der Hülle 2 und den Hohlkörpern 4 hergestellt werden kann.

Wesentlich für den so gestalteten stabförmigen Teil ist, dass die Hülle 2 mehr oder weniger der Optik des Teiles dient sowie gegebenenfalls für eine Verbindung dieses stabförmigen Teiles 1 mit weiteren Teilen, beispielweise einem Kopf eines Golfschlägers oder einem Griff eines Schistockes dient. Die Festigkeit des stab- oder rohrförmigen Teils 1 hinsichtlich Biegung, zulässiger 6 AT 504 078 B1

Zugkräfte, Torsionssteifigkeit etc. ergibt sich in erster Linie, d.h. nahezu ausschließlich, durch die von den Hohlkugeln 4 gebildete Struktur, wie dies später noch erläutert wird.

In den Fig. 6 und 7 ist als Beispiel ein Werkzeug veranschaulicht, mit dessen Hilfe eine Hohlkugelstruktur, wie sie in Fig. 1 bzw. Fig. 4 veranschaulicht ist, hergestellt werden kann. Dieses Werkzeug weist einen Unterteil 7 (Fig. 6A) und einen Oberteil 8 (Fig. 6B) auf, die, wie in Fig. 7 gezeigt, übereinandersetzbar sind. Längs des Werkzeuges erstreckt sich ein Hohlraum 9, dessen Querschnitt von einem regelmäßigen Sechseck gebildet ist, wobei dieser Hohlraum 9 zur Hälfte in den Unterteil 7 und zur Hälfte in den Oberteil 8 eingearbeitet ist. Dieser Hohlraum 9 - nachfolgend Sekundärhohlraum genannt - wird bei auseinandergenommenem Werkzeug mit Kugeln bestückt, wobei diese Kugeln miteinander in Klebeverbindung gebracht werden. Die Wände des Sekundärhohlraumes 9 sind mit einem Antihaftmittel beschichtet, sodass nach Verfestigen des Klebers eine Hohlkugelstruktur 10 gemäß Fig. 4 aus dem Werkzeug nach dessen Auseinanderteilen entnommen werden kann, wobei nachfolgend eine endgültige Verbindung der Hohlkugeln 4 miteinander und gegebenenfalls auch mit der Hülle 2 nach Einbringen der Hohlkugelstruktur 10 in die Hülle 2, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist, stattfinden kann. Für größere Hohlräume 3 bzw. wenn ein Hohlraum 3 mit sehr kleinen Hohlkörpern 4 zu versehen ist, kann es von Vorteil sein, wenn in dem Sekundärhohlraum 9 nur Teile einer Hohlkörperstruktur 10 gebildet werden und diese Teile nachfolgend zusammengesetzt werden und im zusammengesetzten Verbund in die Hülle 2 eingesetzt werden.

Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, ist die Wanddicke d der Hülle 2 im Vergleich zum Durchmesser D der Hülle 2 sehr gering, vorzugsweise liegt das Verhältnis d/D im Bereich zwischen 0,005 bis 0,05.

Konstruktiver Prozess zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Teiles: A) Zieldefinition

Im Rahmen einer Zieldefinition werden geometrische, physikalische, qualitative und wirtschaftliche Randbedingungen ermittelt. Dies sind:

Geometrische Randbedingungen: a) Größe des Bauteiles (zum Beispiel Länge des Rohres bzw. der Hülle, Querschnittsgröße und minimale Breitenabmessungen, usw.) b) Definition von Bereichen, in denen eine Verbindung zu benachbarten Bauteilen einer Baugruppe geschaffen werden soll (z.B.: Definition des Anbindungsbereiches zum Griff bei einem Golfschläger bzw. Schistock).

Physikalische Randbedingungen: a) Minimale und maximale Masse des Bauteiles b) Lage des Schwerpunktes c) Minimale und maximale Größen aller Komponenten des Trägheitstensors d) Minimale und maximale Komponenten der Flächenmomente zweiter Ordnung e) Definition der Dämpfungscharakteristik bei mechanischen und akustischen Schwingungen f) Ermittlung der Belastungen des Bauteiles (statisch und/oder dynamisch) g) Definition der erforderlichen Lebensdauer

Qualitative Randbedingungen a) Zulässiger Toleranzbereich aller geometrischen Abmessungen 7 AT 504 078 B1 b) Zulässiger Toleranzbereich der chemischen Werkstoffanalyse der beteiligten Werkstoffe c) Zulässige Abweichungen der vorgegebenen Ordnung

Physikalische Randbedingungen: a) Maximale Kosten des Bauteiles B) Entwicklung einer Entwurfskonstruktion:

In der Phase der Entwurfskonstruktion erfolgt eine erste Werkstoffwahl und eine erste Auswahl der Geometrie, unter anderem sind durchzuführen: a) Auswahl des Werkstoffes der Hohlkörper b) Auswahl des Werkstoffes des umgebenden Rohres bzw. der Hülle c) Auswahl des Werkstoffes der Halsverbindungen der Hohlkörper (Klebstoff, Lot oder Sinterwerkstoff) d) Auswahl eines Werkstoffgradienten (benachbarte Hohlkörper sind aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut) e) Auswahl der Hohlkörperdurchmesser f) Auswahl der Schalendicke g) Auswahl der Abmessungen der umgebenden Hülle h) Auswahl der Positionen der Hohlkörper zueinander i) Auswahl eines Durchmessergradienten (benachbarte Hohlkörper sind größer oder kleiner) j) Auswahl eines Gradienten der Schalendicke (benachbarte Hohlkörper weisen eine Schalendicke auf, die kleiner oder größer ist)

Wesentlich sind folgende Sachverhalte: Die Hohlkugeln weisen untereinander eine strukturelle Verbindung auf (stellen also damit kein Granulat bzw. Schüttgut dar). Diese Verbindung ist eine metallische, eine Klebeverbindung und/oder eine gelötete Verbindung) und wird Hals genannt (Sinter-, Klebe- oder Lothals).

Damit wird erreicht, dass die Hohlkugelstruktur den wesentlichen Teil der tragenden Struktur des Bauteiles darstellt und damit eine Übertragung aller Normalspannungs- und Schubspannungskomponenten möglich wird (beim Granulat können beispielsweise keine Zuglasten übertragen werden).

Wesentlich dabei ist ebenfalls, dass im Strukturverband der Hohlkugeln eine räumliche Anordnung vorgegeben wird, die in der Produktionsphase eingehalten werden muss und in der Qualitativen Phase entsprechend kontrolliert wird.

Erst die Vorgabe einer Ordnung erlaubt die nach den technischen Möglichkeiten exakte berechnungstechnische Simulation des Bauteils im Sinne von Vorhersagen des Bauteilverhaltens. Ebenso ist die Ordnung dafür ausschlaggebend, dass die Bauteile immer wieder gleiches Verhalten aufweisen und damit gegen die qualitativen Ziele kontrolliert werden können.

Das Verfahren erlaubt damit eine Variation der physikalischen Eigenschaften des Bauteiles durch Veränderung aller geometrischen und physikalischen Parameter der Struktur im Inneren. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Steifigkeit des Bauteiles über seine Länge vergrößert oder verkleinert werden, indem man die Schalendicke und/oder den Kugeldurchmesser und/oder den Werkstoff verändert. Eine Änderung der Außenabmaße ist nicht oder nur in Grenzfällen notwendig. Der gesamte konstruktive Prozess vereinfacht sich dadurch wesentlich, weil die Außenabmessungen des Bauteiles konstant bleiben und benachbarte Bauteile in einer Baugruppe nicht mitverändert werden müssen (so zum Beispiel der Griff am Golfschlägerschaft oder Schistock, oder der Verbindungsteil des Kopfes des Golfschlägers). 8 AT 504 078 B1 C) Berechnung der Entwurfskonstruktion:

Computergestützte Simulation der Entwurfskonstruktion gegen alle mechanischen und sonstigen Lasten zur Ermittlung aller sechs Komponenten des Verzerrungstensors, aller sechs Komponenten des Spannungstensors aller Verschiebungen (drei translatorische und drei rotatorische). Ermittlung von Sicherheiten gegen Bruch und Dauerfestigkeit und/oder Zeitfestigkeit. Berechnungstechnische Simulation des Verhaltens im Falle des Auftretens mechanischer und/oder akustischer Schwingungen (Ermittlung der Dämpfungscharakteristik).

Ermittlung aller zur Bauteilbeurteilung notwendigen Verformungs- und Verzerrungsgrößen. D) Ermittlung von zulässigen Werkstoffkennwerten:

Mit eigens für diesen Zweck entwickelten Versuchskörpern werden statische und/oder dynamische Versuche zur Ermittlung von Zugfestigkeitskennwerten und Zeit- und/oder Dauerfestigkeitskennwerten durchgeführt. Diese so ermittelten Kennwerte erlauben dann eine Prüfung der Ergebnisse der Simulation gegen die Zieldefinition. Der mechanisch schwächste Punkt einer wie oben angegebenen aufgebauten Hohlkugelstruktur ist die Verbindungsstelle der einzelnen Hohlkugeln über Sintern, Kleben oder Löten. Deswegen wurden solche Strukturen auch bislang nur unter primärer Druckbeanspruchung eingesetzt, und dies ausschließlich gleichsam als Schüttgut, welches nach der Schüttung über die dargestellten Verbindungsarten zur Struktur vereinigt wird.

Die Ordnung in Verbindung mit den ermittelten Werkstoffkennwerten erlaubt nun eine zielgerichtete Beurteilung des Bauteilverhaltens.

Die Versuche werden auf klassischen Zugprüfmaschinen und/oder Biegeumlaufprüfmaschinen durchgeführt, und zwar dann, wenn hinsichtlich der eingesetzten Parameter der Hohlkugelstruktur keine Kennwerte zur Verfügung stehen. E) Beurteilung und Optimierung:

Aus den Ergebnissen des Punktes C (der Simulation) und des Punktes D (den versuchstechnisch ermittelten Werkstoffkennwerten) wird eine Bauteilbeurteilung durchgeführt. a) Der Bauteil genügt bereits jetzt allen in der Zieldefinition festgelegten Eigenschaften: hier kann nun mit der Produktion begonnen werden. b) Der Bauteil weicht in unzulässigem Maße von definierten Eigenschaften ab: hier muss nun in Form einer Schleife ein Wiedereinstieg bei Punkt B gewählt werden um die Eigenschaften anzupassen. Gelangt man zu Punkt E) a), kann mit der Produktion begonnen werden. Gelangt man zu Punkt E) c), ist wie dort angegeben zu verfahren. c) Der Bauteil genügt in keinem Fall den Ansprüchen der Zieldefinition: dies bedeutet, dass eine derartige Konstruktion unter den gegebenen Randbedingungen nicht möglich ist. Es ist eine Veränderung der Zieldefinition durchzuführen und/oder die Entwicklung des Bauteiles einzustellen.

Produktionsprozess für eine rein gesinterte Hohlkugelstruktur:

Auf Grund der Ergebnisse des konstruktiven Prozesses werden Hohlkugeln im Zustand Grünling zugekauft.

Die eingegangen Grünlinge werden durch Sieben hinsichtlich Ihrer geometrischen Abmessungen kontrolliert und klassifiziert. Die Schalendicke wird mittels üblicher Verfahren der Qualitäts- 9 AT 504 078 B1 kontrolle zerstörend oder nicht zerstörend geprüft. Hinsichtlich der Materialzusammensetzung werden chemische Analysen durchgeführt.

Zur Anordnung der Hohlkugeln nach den Vorgaben des konstruktiven Prozesses wird eine Vorrichtung aus einem Werkzeug hergestellt, welches im Inneren einen Hohlraum 9 aufweist, der die Größe der Außenabmessungen der resultierenden Hohlkugelstruktur aufweist. Dabei kann, muss aber nicht, der zu erwartende Schwund beim abschließenden Sintern der Hohlkugelstruktur berücksichtigt werden.

Die Vorrichtung ist ein oder mehrteilig aufgebaut, jedenfalls aber so, dass mittels Hilfswerkzeugen ein Einlegen der Hohlkugel nach vorgegebener Anordnung reproduzierbar möglich wird. Die verwendeten Hilfswerkzeuge sind Zangen, Saugnäpfe, Magnete oder ähnliches, die manuell oder mechanisch betrieben werden.

Vor dem Einlegen der Grünlinge in die Vorrichtung werden die Hohlkugeln mit einem Entbinder (Alkoholische Flüssigkeit) benetzt, um einen provisorischen Zusammenhalt der Hohlkugeln zu gewährleisten und die Ausbildung des Sinterhalses an den Kontaktpunkten der Hohlkugeln untereinander zu fördern.

Nach dem vollständigen Einbringen der Hohlkugeln wird die Vorrichtung geschlossen und es erfolgt ein Trocknungsprozess bei erhöhter Temperatur. Danach kann der Vorrichtung die Gesamtstruktur als ganzes entnommen werden. Sie ist in diesem Zustand für logistische Zwecke belastbar, weist aber noch keinen Sinterhals, also keine metallische Verbindung der Hohlkugeln untereinander, auf.

Die Ausbildung der Hälse und die Verfestigung der Gesamtstruktur wird nach Einbringen der bislang bestehenden Struktur in einen Sinterofen erzielt. Dieser wird auf Sintertemperatur gebracht, wobei sich die Sinterhälse ausbilden und die gesamte Struktur verfestigt wird.

Das Einbringen der auf diese Weise hergestellten geordneten Hohlkugelstruktur in die umgebende Hülle (dünnes Metallrohr im Falle eines Golfschlägerschaftes) erfolgt durch Aufbringen einer Temperaturdifferenz auf die beteiligten Fügepartner. Die Hülle wird erwärmt und/oder die Hohlkugelstruktur abgekühlt, bis ein Fügespiel entsteht, welches während des Fügeprozesses annähernd konstant gehalten werden soll. Die notwendigen zeitlichen und thermomechanischen Parameter für diesen Prozess werden im Konstruktionsprozess berechnungstechnisch ermittelt.

Nachdem die Fügepartner wieder auf gleiche Temperatur gebracht wurden, liegt ein glatt beendetes Bauteil vor, welches Lasten hauptsächlich über die Hohlkugelstruktur überträgt und Anbindung benachbarter Bauteile in einer Baugruppe über die glatte Hülle auf einfache Art ermöglicht (zum Beispiel ein Schistock an dem eine Schistockspitze und ein geeigneter Griff angebracht werden). Die mechanische Verbindung der Hülle und der Hohlkugelstruktur erfolgt in diesem Fall als Reibverbindung.

Produktionsprozess für eine geklebte Hohlkugelstruktur:

Die strukturelle Verbindung der Hohlkugeln wird in diesem Fall durch die Ausbildung einer Klebeverbindung (Klebehals) and den Kontaktstellen der Hohlkugeln geschaffen. Dazu werden als Ausgangsmaterial fertig gesinterte Hohlkugeln (also keine Grünlinge) zugekauft, die außen mit einer dünnen Schicht aus Klebstoff beschichtet sind.

Zu Beginn des Prozesses erfolgt ebenfalls eine Klassifizierung der Hohlkugeln mittels Sieben nach Ihren Außendurchmessern. Schalendicke, aufgebrachte Klebstoffschicht und Material durchlaufen eine übliche Qualitätskontrolle. 1 0 AT 504 078 B1

Der Herstellungsprozess geht nun, wie zuvor dargelegt, ebenfalls von einer blockförmigen Vorrichtung aus, in die ein Hohlraum eingearbeitet ist, welcher die Außenabmessungen der resultierenden Hohlkugelstruktur hat. Dabei muss allerdings das Volumen der Klebeschicht berücksichtigt werden, um das sich der Raum zwischen den Hohlkugeln im eigentlichen Klebeprozess verkleinert.

Die Wandungen des Hohlraumes müssen nun mit einer Antihaftbeschichtung ausgekleidet werden, um ein Lösen der Gesamtstruktur aus der Vorrichtung nach dem Klebeprozess zu ermöglichen.

In den Hohlraum werden nun mit Hilfswerkzeugen, wie oben beschrieben, die Hohlkugeln in der vorgegebenen Anordnung eingebracht und die Vorrichtung verschlossen, um die Anordnung während des Klebeprozesses aufrecht zu halten.

Die geschlossene Vorrichtung wird danach in einen Ofen gegeben, der auf Temperaturen um ca. 200 °C erhitzt wird. Dabei verflüssigt sich der Klebstoff und wandert zu den Kontaktstellen der Hohlkugel, wo er die Klebeverbindungen (Klebehälse) ausbildet. Die verklebte Gesamtstruktur kann nach Abkühlung entnommen werden und in eine Hülle einbracht werden.

Das Einbringen in die Hülle erfolgt wiederum durch Aufbringen einer Temperaturdifferenz auf die beteiligten Fügepartner. Um den entstehenden Reibungskontakt zwischen Hülle und Hohlkugelstruktur nach dem Fügen zu verstärken kann, muss aber nicht, die Innenseite der Hülle mit der Hohlkugelstruktur durch Aufbringen eines Klebstoffes auf die Innenseite der Hülle verklebt werden.

Im Vergleich zur Struktur aus rein gesinterten Hohlkugeln fällt hier der abschließende Sinterprozess weg.

Produktionsprozess für eine gelötete Hohlkugelstruktur:

Ausgangsmaterial für diesen Fall sind Hohlkugeln, die hinsichtlich ihrer Abmessungen im konstruktiven Prozess spezifiziert wurden und als Grünlinge vorliegen. Diese Grünlinge enthalten neben dem spezifizierten Grundmaterial in den vorhandenen Poren des Grundmaterials ein Lot.

Ausgangspunkt für die Produktion des Bauteiles ist wiederum ein Klassifikationsschritt der Hohlkugeln nach Durchmesser mittels Sieben, an den sich qualitative Kontrollen hinsichtlich Schalendicke und Materialzusammensetzung anschließen.

Eine einteilige und/oder mehrteilige blockförmige Vorrichtung enthält einen Hohlraum, der den Außenabmessungen der resultierenden Hohlkugelstruktur entspricht. Der Hohlraum muss mit einer Antihaftbeschichtung an den Flächen der Vorrichtung beschichtet sein, so dass eine Verbindung mit dem Lot nicht mehr möglich ist. Dieser Schritt gewährleistet die Herausnahme der Gesamtstruktur aus der Vorrichtung am Ende des Herstellprozesses.

In den Hohlraum wird nun mit Hilfswerkzeugen, wie oben beschrieben, die den vorgegebenen Anforderungen entsprechende Hohlkugelstruktur eingebracht bzw. aufgebaut. Nach dem Verschließen der Vorrichtung wird diese in einen Sinterofen eingebracht, der auf Sintertemperatur gebracht wird. Dabei werden einerseits die Hohlkugeln gesintert. Das in den Poren der Grünlinge eingebrachte Lot entweicht und wandert zu den Kontaktstellen der Hohlkugeln, wo es die Lothälse ausbildet.

Nach Entnahme der Gesamtstruktur wird diese wieder in eine entsprechende Hülle eingebracht. Der Fügeprozess läuft hier wie oben beschrieben durch Aufbringen einer Temperaturdifferenz auf die Fügepartner ab.

Claims (25)

1 1 AT 504 078 B1 Patentansprüche: 1. Auf Biegung, Zug-Druck, Schub oder Torsion beanspruchter stab- oder rohrförmiger Teil (1) mit einer dünnwandigen, vorzugsweise außen und/oder innen glattwandigen, einen Hohlraum (3) begrenzenden rohrförmigen Hülle (2) und mit einem im Hohlraum (3) vorgesehenen und diesen füllenden zellularen Werkstoff, gebildet von einer Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlkörpern (4), vorzugsweise Hohlkugeln (4), wobei die Hohlkörper (4) innerhalb der Hülle (2) in einer geordneten Struktur vorgesehen sind, wie kubisch raum- oder kubisch flächenzentriert, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper aus metallischem Werkstoff gebildet sind und der - insbesondere als Sportgerät zu verwendende - hoch beanspruchbare Teil (1) ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40 aufweist, wobei weiters das Verhältnis der Wandstärke der Hülle (2) zu ihrem maximalen Durchmesser im Bereich von 0,0005 bis 0,083, vorzugsweise in einem Bereich von 0,005 bis 0,05 und insbesondere in einem Bereich von 0,007 bis 0,05 liegt.

2. Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) einen maximalen Durchmesser von 20 mm, vorzugsweise einen Durchmesser von 1,5 bis 15 mm, insbesondere von 2 bis 12 mm aufweisen.

3. Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) die Hülle (2) zumindest tangential berühren.

4. Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) mit den sie berührenden Hohlkörpern (4) verbunden ist.

5. Teil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Hohlkörper (4) untereinander und/oder die Verbindung der Hülle mit den sie berührenden Hohlkörpern (4) in an sich bekannter Weise mittels eines Klebstoffes bewirkt ist.

6. Teil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Hohlkörper (4) untereinander und/oder die Verbindung der Hülle (2) mit den sie berührenden Hohlkörpern (4) in an sich bekannter Weise durch Sintern bewirkt ist.

7. Teil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Hohlkörper (4) untereinander und/oder die Verbindung der Hülle (2) mit den sie berührenden Hohlkörpern (4) durch Löten bewirkt ist.

8. Teil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) aus Stahl und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Magnesium und/oder aus Legierungen aus diesen Metallen gebildet sind.

9. Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) dünner gestaltet ist als bei einem gleichen hohlen rohrförmigen Teil - bei gleicher oder höherer Biegesteifigkeit und/oder Dehnsteifigkeit und/oder Torsionssteifigkeit.

10. Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer kubisch raumzentrierten Anordnung von Hohlkugeln (4) die Kugeldurchmesser (5) der raumzentriert angeordneten Hohlkugeln (4) geringer bemessen sind als die Durchmesser (5) der benachbarten Hohlkugeln (4), sodass eine Berührung sämtlicher unmittelbar benachbarter Hohlkugeln (4) gegeben ist.

11. Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er als Stock für Schifahrer, Nordic Walker, Wanderer oder Bergsteiger oder als Golfschlägerschaft, als Baseball-Schläger, als Segelmast oder als Rahmen für Fahrräder, Hometrainer oder ein 1 2 AT 504 078 B1 Fitnessgerät ausgebildet ist.

12. Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er als Arm für Roboter oder Manipulatoren mit jeweils hohen Anforderungen für Positioniergenauigkeit ausgebildet ist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Teils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) in einen Sekundärhohlraum (9) eines Werkzeugs (7, 8), der zumindest teilweise dem Hohlraum (3) der Hülle (2) des herzustellenden Teils (1) entspricht, geordnet, vorzugsweise kubisch raum- oder kubisch flächenzentriert, eingebracht werden und in diesem Sekundärhohlraum (9) - wie an sich bekannt - miteinander verbunden werden, worauf die von den Hohlkörpern (4) gebildete Struktur (10) als Ganzes dem Sekundärhohlraum (9) entnommen wird, gegebenenfalls mit mindestens einer ebenso hergestellten weiteren Struktur (10) verbunden wird und in die Hülle (2) des herzustellenden Teils (1) eingebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) vor dem Einbringen in den Sekundärhohlraum (9) hinsichtlich ihrer Größe klassifiziert werden, worauf vorzugsweise zusätzlich eine Kontrolle der Hohlkörper (4) hinsichtlich Schalendicke und gegebenenfalls hinsichtlich Materialzusammensetzung durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärhohlraum (9) um den beim endgültigen Verbinden der Hohlkörper (4) zu erwartenden Schwund größer bemessen ist als der Hohlraum (3) des herzustellenden Teils (1).

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der von endgültig miteinander verbundenen Hohlkörpern (4) gebildeten Hohlkörperstruktur (10) in die Hülle (2) unter Aufbringen einer Temperaturdifferenz zwischen Hülle (2) und Hohlkörperstruktur (10) erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) im Sekundärhohlraum (9) endgültig miteinander verbunden werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass fertig gesinterte Hohlkörper (4) außenseitig mit einer Schicht aus Klebstoff beschichtet und in den Sekundärhohlraum (9) eingesetzt werden, wobei die Wände des Sekundärhohlraumes (9) vor dem Einbringen der Hohlkörper (4) mit einer Antihaftbeschichtung beschichtet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärhohlraum (9) zwecks Ausbildung von stabilen Klebehälsen (6) zwischen den Hohlkörpern (4) einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Hohlkörper (4) Poren aufweisen, die mit einem Lot versehen sind, und die endgültige Verbindung der Hohlkörper (4) durch Aussetzen des Sekundärhohlraumes (9) einer erhöhten Temperatur erzielt wird, und zwar derart, dass an den Kontaktstellen der Hohlkörper (4) Lothälse (6) durch aus den Poren austretendes Lot gebildet werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) innerhalb des Sekundärhohlraumes (9) miteinander nur provisorisch verbunden werden, vorzugsweise mittels eines Entbinders und mittels eines Trocknungsprozesses.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) vor dem provisorischen Verbinden teilgesintert sind. 1 3 AT 504 078 B1

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Verbindung der Hohlkörper (4) außerhalb des Sekundärhohlraumes (9) durch Sintern der Hohlkörperstruktur (10) in einem Sinterofen erfolgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass für eine beanspruchungsgerechte Konstruktion des Teiles (1) für dessen Gestaltung wie folgt vorgegangen wird: a) Auswahl des Werkstoffes der Hohlkörper (4) b) Auswahl des Werkstoffes der umgebenden Hülle (2) c) Auswahl des Werkstoffes der Halsverbindungen der Hohlkörper (4) (Klebstoff, Lot oder Sinterwerkstoff) d) Auswahl eines Werkstoffgradienten (benachbarte Hohlkörper (4) sind aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut) e) Auswahl der Hohlkörperdurchmesser (5) f) Auswahl der Schalendicke g) Auswahl der Abmessungen der umgebenden Hülle (2) h) Auswahl der Positionen der Hohlkörper (4) zueinander i) Auswahl eines Durchmessergradienten (benachbarte Hohlkörper sind größer oder kleiner) j) Auswahl eines Gradienten der Schalendicke (benachbarte Hohlkörper (4) weisen eine Schalendicke auf, die kleiner oder größer ist).

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Hohlkörpern (4) ein Probekörper gebildet wird, und zwar entsprechend dem Verfahren, nach dem der Teil (1) hergestellt werden soll, und dieser Probekörper als Zug-, Biege-, Umlaufbiege- oder Stauchprobe dient, wobei die hierbei gewonnenen Messdaten der Berechnung des herzustellenden Teils (1) zugrundegelegt werden. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen