AT521722A1

AT521722A1 - Strukturelement für Freiformflächen

Info

Publication number: AT521722A1
Application number: ATA50816/2018A
Authority: AT
Inventors: Troi Valentine
Original assignee: Troi Valentine
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2020-04-15
Also published as: WO2020064717A3; WO2020064717A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kern eines Strukturelements, wobei der Kern im Wesentlichen plattenförmig ist und zwei vorzugsweise im Wesentlichen parallele, gegenüberliegende und voneinander beabstandete Flächen aufweist, wobei der Kern in zumindest einem Bereich mit Schlitzen oder Nuten mit einer maximalen Breite und einer Tiefe versehen ist, wobei die Schlitze oder Nuten Abstände zueinander aufweisen, wobei die Strecke zwischen zwei Schlitzen oder Nuten eine im Wesentlichen gerade Verbindungstrecke darstellt, wobei die Abstände unmittelbar benachbarter Schlitze oder Nuten variieren. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Schlitzmusters oder Nutenmusters für den formbaren Kern eines Strukturelements, wobei zumindest eine isoparametrischen Kurve ( , ) extrahiert wird, wobei die zumindest eine isoparametrische Kurve ( , ) im Wesentlichen orthogonal zur gewünschten Schnittrichtung ( , ) der Schlitze oder Fräsrichtung der Nuten ausgerichtet ist, wobei die isoparametrische Kurve durch einen Polygonzug approximiert wird. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturelements sowie die Verwendung eines solchen.

Description

STRUKTURELEMENT FÜR FREIFORMFLÄCHEN

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kern eines Strukturelements, wobei der Kern im Wesentlichen plattenförmig ist und zwei im Wesentlichen parallele, gegenüberliegende Flächen aufweist, wobei der Kern in zumindest einem Bereich formbar ausgebildet ist, wobei in zumindest einem formbaren Bereich Krümmungen formbar sind, wobei der zumindest eine formbare Bereich des Kerns mit Schlitzen oder Nuten mit einer maximalen Breite und einer Tiefe versehen ist, wobei die Schlitze oder Nuten Abstände zueinander aufweisen, wobei die Strecke zwischen zwei Schlitzen oder Nuten eine im Wesentlichen gerade Verbindungstrecke darstellt. Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kerns eines Strukturelements, ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements für Freiformflächen, sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturelements.

Hintergrund der Erfindung

In zahlreichen Gebieten der Technik spielen Freiformflächen bzw. die Herstellung von Freiformflächen eine wesentliche Rolle. Beispielsweise weisen Rotorblätter moderner Windkraftanlagen bestimmte Freiformflächen auf, um Windenergie mit maximaler Effizienz zu nutzen. Ebenso beschäftigen sich im Schiff- und Flugzeugbau sowie in der Automobilfertigung Ingenieure mit der Herstellung von Freiformflächen, um Strömungswiderstände zu minimieren und das optische Erscheinungsbild zu verbessern.

In vielen Bereichen der Architektur spielt neben den technisch vorteilhaften Aspekten von Freiformflächen auch Freiheit in der Formschöpfung eine wesentliche Rolle. Neben den Designentwürfen auf dem Gebiet der Innenarchitektur weisen insbesondere Entwürfe von Bauwerken im Stile der sogenannten bionischen Architektur-auch als Blob-Architektur, NichtStandard-Architektur oder Freiform-Architektur bezeichnet - komplexe, fließende und häufig gerundete und biomorphe Formen auf, wodurch die Komplexität und die Kosten für den Bau eines solchen Gebäudes massiv ansteigen.

Der Grund für die hohen Kosten sind meist teure Herstellungsverfahren für die einzelnen Bestandteile bzw. für die einzelnen Strukturelemente einer Freiformfläche. Am Beispiel der Fassade des Kunsthaus Graz von Peter Cook und Colin Fournier oder auch der Stationen der Hungerburgbahn in Innsbruck von Zaha Hadid sind für jedes einzelne, die Freiformfläche bildende Strukturelement in unterschiedlicher Form, aufwendige Formwerkzeuge herzustellen.

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Bei den besagten Gebäuden handelt es sich um in Form gebrachte Strukturelemente aus Glas- bzw. Plexiglaspaneelen. Weit verbreitet sind jedoch ebenso Sandwich-LeichtbauPaneele als Strukturelement, wie z.B. die Fassadenpaneele des mobilen Chanel Pavillon von Zaha Hadid, meist bestehend aus zwei Deckschichten, beispielsweise aus Kunststoffen, Glasfaser- und Kohlefaserkunststoffen, Holz, Metall etc. und einem Kern aus beispielsweise Hartschaum (PET, PVC, PUR) oder Vollmaterial (Polyethylen, Balsaholz).

Allen Strukturelementen für Freiformflächen ist jedoch die Formgebung mittels aufwendig hergestellter und kostenintensiver Formwerkzeugen wie Matrizen, Gesenken oder Schalungen gemein. Während sich der Werkzeugbau für die Herstellung von Strukturelementen in hohen Stückzahlen wirtschaftlich sinnvoll abbilden lässt, führt er bei der Herstellung von insbesondere für die Architektur relevanten Strukturelementen in geringen Stückzahlen (beispielsweise zwischen 1 und 10 Stück) zu hohen Kosten. Dementsprechend wird derzeit vor allem im Bauwesen intensiv nach Verfahren gesucht, um freigeformte Strukturelemente ohne die Notwendigkeit von Formwerkzeugen herstellen zu können, geleitet vom Grundsatz „mass customization statt „mass production. Dazu gehören vor allem robotergestütze Verfahren wie z.B. das Strukturwickeln (ICD/ITKE Research Pavilion). Sämtlichen Methoden ist gemein, dass sie sich noch im experimentellen Stadium befinden und wenig wirtschaftlich sind.

Aus dem Stand der Technik sind mehrere Methoden bekannt, wie ein Paneel bzw. ein Strukturelement - insbesondere der Kern eines Strukturelementes der Gattung SandwichLeichtbau-Paneel - präpariert werden kann, sodass die Formgebung erleichtert wird. Ziel ist dabei stets die Reduktion der Biegefestigkeit in bestimmten Bereichen des zu verformenden Strukturelementes.

Die DE 20 2011 104 056 U1 beschreibt einen plattenförmigen, drapierbaren Kernwerkstoff, wobei die in die Platte eingebrachten Schnitte lokale Dehnungen und Stauchungen innerhalb der Platte zulassen. Eine solches plattenförmiges Halbzeug kann dann auf räumlich bereits gekrümmte Oberflächen leichter aufgebracht werden. Die Schnitte sind nicht durchgängig, d.h. sie weisen nicht die Länge der Platte selbst auf, sondern sind gezielt lokal begrenzt.

Die CH 484 744 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichgebilden, bestehend aus Deckschichten und Kernlagen aus geschäumtem Kunststoff, wobei die Oberflächen des Kernmaterials beidseitig mit Einfräsungen versehen werden. Das Einfräsen von Rillen geschieht in Gitterform. Bevorzugt ist dabei ein spiegelgleiches (symmetrisches) Fräsmuster. Die Rillentiefe und die Rillenabstände können in weiten Grenzen variieren, wodurch sich die

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Geschmeidigkeit steuern lässt, wobei besonders bevorzugt die Einfräsung von Würfelstrukturen ist, wie sie beispielsweise auch für die PET-Schaum-Strukturen Airex® T92.80 oder T92.80 vorgesehen sind.

Die Formgebung erfolgt bisher beispielsweise mittels Gewichten, wodurch in bestimmten Bereichen größere Krümmungen erzeugt werden können. Eine exakte Formgebung ist dabei nur begrenzt möglich und die Methode ist zudem zeitintensiv und aufwändig - insbesondere durch den Einsatz von Pressen. Die Druckverteilung ist homogener und die Fertigungsgenauigkeit höher, allerdings sind teure, als Form-Negative dienende Werkzeuge erforderlich. Ein anderes Verfahren stellt die Vakuumsack-Methode dar, bei welcher der atmosphärische Druck genützt wird, um das Strukturelement in eine vorgegebene Form zu pressen.

Alle aus dem Stand der Technik bekannte Sandwich-Platten bzw. Strukturelemente sowie die bekannten formgebenden Verfahren weisen den Nachteil auf, dass der Prozess der Formgebung entweder ungenau oder teuer und aufwändig ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein formbares Strukturelement bereitzustellen, mit welchem es möglich ist, ohne die Notwendigkeit von teuren Formgebungs-Werkzeugen bzw. Form-Negativen im Wesentlichen beliebige Krümmungen bzw. Freiformsegmente hoher geometrischer Genauigkeit kostengünstig zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kern für ein Strukturelement, wobei der Kern im Wesentlichen plattenförmig ist und zwei vorzugsweise im Wesentlichen parallele, gegenüberliegende und voneinander beabstandete Flächen aufweist, wobei der Kern in zumindest einem Bereich mit Schlitzen oder Nuten mit einer maximalen Breite c und einer Tiefe t versehen ist, wobei die Schlitze oder Nuten Abstände zueinander aufweisen, wobei die Strecke zwischen zwei Schlitzen oder Nuten eine im Wesentlichen gerade Verbindungstrecke darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände unmittelbar benachbarter Schlitze oder Nuten variieren.

Die Breite c der Schlitze oder Nuten kann gleichbleibend, d.h. für alle Schlitze oder Nuten konstant, ausgeführt sein. Der Vorteil von Schlitzen oder Nuten gleichbleibender Breite c ist, dass für die Herstellung mit beispielsweise CNC-gesteuerten Maschinen kein Werkzeugwechsel notwendig ist und die Fertigung schneller und kostengünstiger erfolgen

4/33 kann. Mit „maximaler Breite“ ist der breiteste Bereich eines Querschnitts eines Schlitzes oder einer Nut (z.B. U-Form oder V-Form) gemeint.

Die beiden Flächen können polygonale, rechteckige, quadratische, ovale oder kreisförmige Form aufweisen. Die plattenförmigen Kerne sind bevorzugt viereckig. Die äußere Form des Kerns definiert den Rand des plattenförmigen Kerns, wobei jeder Teil des Randes selbst als Rand bezeichnet wird.

In einer Ausführungsform verlaufen die Schlitze oder Nuten geradlinig, wobei die Schlitze oder Nuten im Wesentlichen von Rand zu Rand des Kerns verlaufen und/oder zumindest einer der Schlitze oder Nuten von Rand zu Rand des Kerns verläuft

In einer besonderen Ausführungsform, insbesondere bei komplexen zu formenden Krümmungen, können die Schlitze oder Nuten von einem Rand bis zu einem Bereich innerhalb der Fläche verlaufen. Dabei können mehrere Schlitze oder Nuten von einem Rand in unterschiedliche Bereiche innerhalb der Fläche reichen. In einer Ausführungsform ist denkbar, dass zusätzlich Schlitze vorgesehen sind, welche nicht von einem Rand weg - oder von Rand zu Rand verlaufen, sondern innerhalb der Fläche verlaufen.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Schlitze oder Nuten gekrümmt verlaufen, wobei die Schlitze oder Nuten ebenso im Wesentlichen von Rand zu Rand des Kerns verlaufen. Es kann dabei zweckmäßig sein, dass die Schlitze oder Nuten in zumindest einem Bereich nicht parallel zueinander sind.

Die Form bzw. Geometrie der Schlitze oder Nuten kann beliebig sein, bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der zumindest eine Schlitz oder die zumindest eine Nut U-förmig ausgebildet sind.

Bei solchen Schlitzen oder Nuten ist der Kern eines Strukturelements im Bereich eines Schlitzes oder einer Nut derart formbar, dass zwei benachbarte und durch einen Schlitz oder Nut getrennte, gerade Verbindungsstrecken einen Winkel γ = 180° - ß einschließen, wobei ß « tan^-1 (θ ist.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der zumindest eine Schlitz oder die zumindest eine Nut V-förmig ausgebildet sind.

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Bei V-förmigen Schlitzen oder Nuten ist der Kern eines Strukturelements im Bereich eines Schlitzes oder einer Nut derart formbar, dass zwei benachbarte und durch einen Schlitz oder

Nut getrennte, gerade Verbindungsstrecken einen Winkel γ = 180° - ß einschließen, wobei ^ ^{= 2tan_1}(£)^ist

Aufgrund der besagten Formbarkeit bzw. Winkeländerung zwischen zwei benachbarten und durch einen Schlitz oder Nut getrennten, geraden Verbindungsstrecken ist in zumindest einem formbaren Bereich die Anzahl N der Schlitze oder Nuten pro Längeneinheit (bzw. pro Bogenwinkel) gemäß Formel nV(As, k)J »—-As-k direkt proportional zum Produkt der formbaren Krümmung κ in diesem Bereich mit der Länge des Kreisbogens As mit Radius r = l/κ im selben Bereich.

Der mathematische Ausdruck DV(k)J beschreibt dabei, dass die von der Krümmung abhängige Anzahl N(k) der Schlitze oder Nuten pro Längeneinheit ganzzahlig sein muss und entsprechend nach oben oder unten auf eine natürliche Zahl gerundet wird. Bevorzugt wird kaufmännisch gerundet, wobei die erste wegfallende Dezimalstelle die erste Dezimalstelle ist.

Die Breite der Schlitze oder Nuten kann von 0,8 mm bis 40 mm betragen. Die Tiefe der Schlitze oder Nuten ist beliebig, vorzugsweise zwischen 1 mm und 100 mm, wählbar. Besonders bevorzugt sind die Schlitze oder Nuten tiefer als breit.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schlitze oder Nuten in zumindest einem Bereich jeweils auf jener der beiden Flächen des Strukturelements angeordnet sind, welche in demselben Bereich konkav krümmbar ist. Bei einfach oder zweifach gleichsinnig krümmbaren Bereichen eines Kerns sind die Schlitze oder Nuten nur auf einer Fläche vorgesehen. Bei zweifach gegensinnigen krümmbaren Bereichen eines Kerns sind die Schlitze oder Nuten auf beiden Flächen eines Kerns vorgesehen, wobei für alle Formen bevorzugt gilt, dass die Schlitze oder Nuten jeweils auf jener der beiden Flächen des Strukturelements angeordnet sind, welche in demselben Bereich konkav krümmbar ist. Dies gilt im Wesentlichen auch für alle krümmbaren Bereiche eines Kerns.

Die Art der Krümmung einer Fläche (konvex oder konkav) wird dabei von der betrachteten Fläche beurteilt, d.h. die Krümmungseigenschaft der gerade nicht betrachteten und (beispielsweise konvex) gekrümmten Fläche kann nicht so ausgelegt werden, dass diese auch als konkav beschrieben werden kann, da die gerade betrachte Fläche eine (entsprechend diesem Beispiel) konkave Krümmung aufweist.

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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die Ermittlung eines Schlitzmusters oder Nutenmusters für den Kern eines Strukturelementes, insbesondere um die Formgebung eines Kerns bzw. Strukturelements ohne Formgebungswerkzeuge bzw. Form-Negativen zu realisieren.

Unter diesem Aspekt wurde ein Verfahren entwickelt, umfassend folgende Schritte:

i) Erstellen eines 3D-CAD-Modells einer Freiformfläche entsprechend dem Kern eines Strukturelements mit im Wesentlichen beliebigem Krümmungsverlauf;

ii) Extrahieren zumindest einer isoparametrischen Kurve, wobei die zumindest eine isoparametrische Kurve im Wesentlichen orthogonal (90° ±10°) zur gewünschten Schnittrichtung der Schlitze oder Fräsrichtung der Nuten ausgerichtet ist;

iii) Projizieren der zumindest einen isoparametrischen Kurve auf eine Ebene;

iv) Approximieren der projizierten isoparametrischen Kurve als Polygonzug, wobei die isoparametrischen Kurve in geradlinige Streckenabschnitte unterteilt wird, wobei die Streckenabschnitte den Verbindungsstrecken zwischen den Schlitzen oder Nuten entsprechen, wobei der eingeschlossene Winkel y = 180°-/? jeweils zweier Verbindungsstrecken für alle Verbindungsstrecken im Wesentlichen gleichbleibend ist, wobei der Winkel ß wie für U-förmige und V-förmige Schlitze oder Nuten beschrieben gegeben ist, wobei jeder Schnittpunkt zweier benachbarter Verbindungsstrecken einem Knotenpunkt entspricht;

v) Abwickeln des in Schritt iv) ermittelten Polygonzugs, wobei die Position der Knotenpunkte des abgewickelten Polygonzugs die Positionen der Schlitze oder Nuten darstellt.

Dieses Verfahren bzw. dieser Algorithmus bewirkt, insbesondere mit der Bedingung, dass der eingeschlossene Winkel y = 180°-/? jeweils zweier Verbindungsstrecken für alle Verbindungsstrecken im Wesentlichen gleichbleibend ist, dass in einem Bereich größerer Krümmung (größer im Vergleich zur Krümmung in einem anderen Bereich) die Dichte an Schlitzen oder Nuten höher (höher im Vergleich zu der Dichte an Schlitzen oder Nuten in einem Bereich kleinerer Krümmung) zunimmt. Insbesondere ist die Anzahl der Schlitze oder Nuten pro Längeneinheit (bzw. Bogenwinkel) direkt proportional zur Krümmung im selben Bereich.

Für zweifach krümmbare Bereiche eines Kerns ist es notwendig, dass die Schritte i) bis v) für eine andere Krümmungsrichtung wiederholt werden. Bevorzugt ist die andere Krümmungsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur vorhergehenden zu betrachteten.

Für Änderungen der Krümmung entlang des Kerns, insbesondere orthogonal zur gewählten Schnittrichtung für Schlitze oder die Fräsrichtung für Nuten ist es notwendig, dass die Schritte

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i) bis v) für weitere isoparametrische Kurven durchgeführt werden, wobei die Position der isoparametrischen Kurven entlang der Freiformfläche derart gewählt wird, dass entlang der Schnittrichtung die Änderung der Krümmung im Wesentlichen orthogonal zur Schnittrichtung erfasst werden kann, wobei die Knotenpunkte der isoparametrischen Kurven verbunden werden, wobei jeweils ein Knotenpunkt einer isoparametrischen Kurve mit einem Knotenpunkt einer nächsten isoparametrischen Kurve verbunden wird, wobei sich die Verbindungslinien nicht kreuzen, wobei die Verbindungslinien stetige Polygonzüge bilden, wobei die Polygonzüge durch Anpassungsfunktionen geglättet werden und jede Anpassungsfunktion einer Schnittlinie für Schlitze oder einer Fräslinie für Nuten entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere für komplexe zu formende Krümmungen, werden die Schlitze oder Nuten bereichsweise eingebracht, wobei die Schlitze oder Nuten von einer Abwicklung einer durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve zu einer Abwicklung einer unmittelbar benachbarten und/oder nicht unmittelbar benachbarten und durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve eingebracht werden.

Besonders bevorzugt werden in einem Bereich komplexer Krümmung, d.h. in einem Bereich hoher Krümmungsvariabilität, Schlitze oder Nuten von einer Abwicklung einer durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve zu einer Abwicklung einer unmittelbar benachbarten und/oder nicht unmittelbar benachbarten und durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve eingebracht, wobei das Schlitz- oder Nutenmuster zwischen zwei Abwicklungen von zwei unmittelbar benachbarten und durch Polygonzüge approximierten isoparametrischen Kurven bestimmt wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Strukturelements.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturelements, umfassend folgende Schritte:

i) Ermitteln eines Schlitzmusters oder Nutenmusters nach Anspruch 12;

ii) Einarbeiten der Schlitze oder Nuten entsprechend dem ermittelten Schlitzmuster oder Nutenmuster in Schritt i) in den Kern;

iii) optional Eindecken des Kerns mit zumindest einer Gewebelage als Hülle;

iii) Einbringen des geschlitzten Kerns in einen Vakuumsack und Erzeugen von Unterdrück im Vakuumsack, wobei durch die in den Kern eingebrachten Schlitze oder Nuten die Form, welche der Kern unter Einwirkung des atmosphärischen Drucks einnimmt, definiert ist;

8/33 iv) optional Harzinfusion bei Unterdrück im Vakuumsack, wobei das Harz den Kern umströmt und die Flanken der Schlitze oder Nuten nach der Aushärtung adhäsiv miteinander verbindet.

Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Strukturelement für Freiformflächen, erhalten durch das Verfahren zur Herstellung eines solchen sowie durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturelements zur geometrischen Modellierung von Gebäudeund/oder Möbelelementen und/oder Flugzeug- und/oder Schiffsbauteilen.

Weitere Details, Ausführungsformen und Vorteile werden anhand der Figuren erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt, repräsentativ für einen erfindungsgemäßen Kern eines Strukturelements, eine zweifach gekrümmte Freiformfläche F mit isoparametrischen Kurven L_x,L_yin der Perspektive, wobei je eine isoparametrische Kurve in x- und y-Richtung hervorgehoben sind.

Fig. 2a, 2b zeigen die auf eine Ebene projizierten isoparametrischen Kurven L_x',L_y der Fig. 1 in x- und y-Richtung sowie Polygonzüge A_x,A_y, welcher die entsprechenden isoparametrischen Kurven L_x,L_y approximieren, wobei alle unmittelbar benachbarten gerade Verbindungsstrecken denselben Winkel γ einschließen.

Fig. 3 zeigt das durch den erfindungsgemäßen Algorithmus ermittelte Schnittmuster zur Ermöglichung der werkzeugfreien Formung der in Fig. 1 gezeigten Freiformfläche F in der Draufsicht, Vorderansicht und Seitenansicht sowie die abgewickelten Polygonzüge A_x',A_y in x- und y-Richtung.

Fig. 4a, 4b zeigen zwei Ausführungsformen von Schlitzen bzw. Nuten, V-Form und UForm, sowie die dazugehörigen Beschreibung der Geometrie für die Berechnung des entsprechenden Winkels ß.

Fig. 5a zeigt eine isoparametrische Linie L_x einer Freiformfläche mit einem Bereich der Länge As mit konstanter Krümmung k. Fig. 5b zeigt den dazugehörige approximativen Polygonzug A_x.

Fig. 6a zeigt ein Strukturelement mit der Freiform der Fig. 1 mit Facetten, begründet durch die Tiefe der Schlitze oder Nuten, entsprechend nahezu der Dicke des Kerns.

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Fig. 6b zeigt ein Strukturelement mit der Freiform der Fig. 1 ohne Facetten bzw. mit nur schwach ausgeprägten Facetten, begründet durch die geringere Tiefe der Schlitze oder Nuten, verglichen mit der Dicke des Kerns.

Fig. 7a zeigt ein Schlitz- bzw. Nutenmuster für eine Freiformfläche mit komplexerem Krümmungsverlauf.

Fig. 7b zeigt die zu formende Freiformfläche mit komplexerem Krümmungsverlauf, wobei sich die Krümmung in y-Richtung entlang der %-Richtung ändert.

Fig. 8a zeigt den plattenförmigen Kern eines Strukturelements mit V-förmigen Schlitzen auf einer der beiden Flächen in der Perspektive und in der Draufsicht.

Fig. 8b zeigt die daraus resultierende Formbarkeit von zweifach gleichsinniger Krümmungen entlang des Kerns.

Fig. 9a zeigt ebenso den plattenförmigen Kern eines Strukturelements mit V-förmigen Schlitzen auf beiden Flächen in der Perspektive und in der Draufsicht.

Fig. 9b zeigt die daraus resultierende Formbarkeit von einfach gegensinnigen Krümmungen.

Fig. 10a zeigt ein erfindungsgemäßes Strukturelement, geformt mittels VakuumsackMethode, wodurch die Form selbstfindend geschieht, wobei die Flanken der Schlitze entweder adhäsiv oder durch eine thermische Behandlung miteinander verbunden werden.

Fig. 10b zeigt ein Strukturelement mit aufgebrachtem vorimprägnierten Fasergewebe als Hülle, hergestellt mit demselben Vakuumsack-Verfahren.

Fig. 10c zeigt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturelements mittels Vakuum-Infusions-Verfahren.

Fig. 11a zeigt ein erfindungsgemäßes Strukturelement ohne Hülle aus Fasergewebe. Fig. 11b zeigt dasselbe Strukturelement mit optionaler Hülle aus Fasergewebe.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt eine zweifach gekrümmte Freiformfläche F. Diese Darstellung wird näherungsweise für einen Kern eines Strukturelementes bzw. für ein Strukturelement selbst herangezogen, unter der Annahme, dass die Dicke d des plattenförmigen Kerns (verglichen mit der Breite und Länge) vernachlässigbar ist. Am digitalen Modell, erstellt mit einer kommerziellen CAD-Software, können isoparametrische Kurven der Freiformfläche dargestellt werden. Die Pfeile am Schnittpunkt von zwei orthogonal aufeinander stehenden isoparametrischen Kurven L_x,L_y deuten die gewählte Schnittrichtung für den folgenden Prozess des Schlitzens oder des Nutens an.

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Isoparametrische Kurven sind Kurven , deren u- und/oder v-Parameter auf einer Fläche, relativ zu einem Koordinatensystem, konstant sind. Mit solchen Kurven können Krümmungen einer Fläche visualisiert werden. Die u- und v-Paramater geben dabei einen Abstand zu einem Koordinatenursprung an.

Um, ausgehend von einem 2-dimensionalen plattenförmigen Kern, eine in Fig. 1 gezeigte Freiformfläche bzw. ein frei gekrümmtes Strukturelement erzeugen zu können, ist es aufgrund der Mannigfaltigkeit 2-dimensionaler Flächen und auch gekrümmter Flächen notwendig, in zu bestimmenden Bereichen eines Kerns überschüssiges Material zu entfernen. In umgekehrter Analogie dazu können gekrümmte Flächen nicht auf einer 2-dimensionalen Fläche ausgebreitet werden, ohne die Fläche zu „zerreißen“.

Aus diesem Grund sieht die Erfindung für einen Kern eines freigeformten Strukturelementes Ausnehmungen in definierten Bereichen in Form von Schlitzen oder Nuten vor. Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Kern mit einem Schlitzmuster bzw. Nutenmuster in verschiedenen Ansichten, wobei der Kern derart verformbar ist, dass die Erzeugung einer Freiformfläche gemäß Fig. 1 mit hoher Genauigkeit realisierbar ist.

Ein erfindungsgemäßer Kern ist im Wesentlichen plattenförmig und weist zwei im Wesentlichen parallele, gegenüberliegende Flächen auf, wobei der Kern eine Dicke aufweist. Die beiden Flächen sind von einer den Umfang bildenden Linie begrenzt. In Fig. 3 weist diese Linie rechteckige Form auf. Der Kern ist in zumindest einem Bereich formbar ausgebildet, wobei in zumindest einem formbaren Bereich Krümmungen formbar sind, wobei der zumindest eine formbare Bereich des Kerns mit Schlitzen oder Nuten mit einer maximalen Breite und Tiefe versehen ist. Die Schlitze oder Nuten weisen definierte, der späteren Form entsprechenden Schlitze oder Nuten auf, wobei die Strecke zwischen zwei Schlitzen oder Nuten eine im Wesentlichen gerade Verbindungstrecke darstellt, wobei die Abstände der Schlitze oder Nuten zueinander abhängig vom formbaren Krümmungsverlauf variieren.

Die die Flächen begrenzende Linie bildet den Umfang eines Kerns und damit den Rand des plattenförmigen Kerns, wobei jeder Teil des Randes selbst als Rand bezeichnet wird.

Ausgangsmaterialien für erfindungsgemäße Strukturelemente sind beispielsweise Kernwerkstoffe aus Hartschaum wie Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polyurethan oder Vollmaterial wie Polyethylen, Balsaholz und daraus zu fertigende SandwichLeichtbauplattenwerkstoffe aus GFK und Polyurethan-Hartschaum, GFK und PolyvinylchloridHartschaum, Balsa Sperrholz und Polyethylen-Hartschaum, CFK und Balsa-Kernwerkstoffe

11/33 und dergleichen. Auch die Verwendung von Metallen wie Aluminium, Kupfer, Stahl oder auch Glas oder Plexiglas oder dergleichen als Werkstoff für Decklagen eines Strukturelements bzw. für Strukturelemente ist denkbar.

Zur Ermittlung eines Schlitzmusters oder Nutenmusters gemäß Fig. 3 konnte ein Algorithmus gefunden werden, mit welchem Schlitzmuster oder Nutenmuster für die Realisierung von im Wesentlichen beliebig gekrümmten bzw. krümmbaren Freiformflächen ermittelt werden können.

Fig. 2a und 2b veranschaulichen die essentielle Bedingung des Algorithmus. Die jeweils oberen Kurven entsprechen den in Fig. 1 hervorgehobenen isoparametrische Kurven in xbzw. in y-Richtung. Die Wahl der zumindest einen isoparametrischen Kurve in die jeweilige Richtung hängt von der Art des Krümmungsverlaufs der Freiformfläche F ab. Im speziellen Fall der Freiformfläche F gemäß Fig. 1 (zweifach gleichsinnig gekrümmt) ist zu beachten, dass zwei Krümmungen als überlagert zu betrachten sind. Eine Krümmung verläuft entlang der yAchse und die andere entlang der x-Achse. Die entlang der y-Achse verlaufende Krümmung ist dabei in jedem Bereich entlang der x-Achse gleich und umgekehrt. Demensprechend ist für jede Richtung lediglich eine isoparametrische Kurve L_x,L_y auszuwählen, um ein entsprechendes Schlitzmuster oder Nutenmuster zu erhalten, wobei die isoparametrischen Kurven idealerweise orthogonal zur gewünschten Schnitt- bzw. Fräsrichtung S_x,S_yausgerichtet sind. Bevorzugt sind die isoparametrische Kurven L_x,L_y in ihrem Schnittpunkt ebenfalls orthogonal zueinander ausgerichtet.

Die gewählte isoparametrische Kurve L_x, L_y wird auf eine Ebene projiziert. Die Ebene ist dabei im Wesentlichen parallel zur gewählten Schnitt- bzw. Fräsrichtung S_x,S_y. Am Beispiel der Fig. 2a wird die projizierte isoparametrische Linie L_x durch einen Polygonzug A_x approximiert, wobei die Approximation einem erfindungsgemäßen Algorithmus mit festgelegten Bedingungen erfolgt. Fig. 2b zeigt dies für die komplementäre Richtung.

Eine wesentliche Bedingung ist dabei, dass zwei unmittelbar benachbarte, geradlinige Verbindungsstrecken des Polygonzugs A_x einen Winkel γ einschließen und insbesondere alle solche unmittelbar benachbarten Verbindungsstrecken-Paare denselben Winkel γ einschließen. Die Verbindungsstrecken-Paare bilden in dem Punkt, indem sie sich treffen jeweils einen Knotenpunkt K, wobei die Knotenpunkte K dem Winkelscheitel und die Verbindungsstrecken-Paare den Schenkeln des Winkels γ entsprechen.

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Als Konsequenz ergibt sich, dass in einem stark gekrümmten Bereich die Anzahl der Knotenpunkte zwangläufig zunehmen muss, um die entsprechende isoparametrische Kurve unter der Bedingung des erfindungsgemäßen Algorithmus approximieren zu können. In einem weniger gekrümmten Bereich ist die Anzahl der Knotenpunkte hingegen reduziert. In einem ungekrümmten, also ebenen Bereich sind keine Knotenpunkte vorzufinden.

In einem weiteren Schritt wird der Polygonzug A_x (im Sinne der darstellenden Geometrie) abgewickelt. Fig. 2a und b zeigen ebenso die jeweiligen Abwicklungen A_x',A_y der Polygonzüge A_x,A_y mit Knotenpunkten K. Die über den Algorithmus ermittelten Knotenpunkte K definieren dabei die Positionen der Schlitze oder Nuten.

Der Algorithmus und insbesondere die Konsequenz daraus kann mit den Fig. 4 und 5 im Detail erklärt werden.

Die Fig. 4a und 4b zeigen zur Illustration zwei unterschiedliche Formen eines Schlitzes oder einer Nut in einem Kern der Dicke d eines Strukturelements. Die Proportionen sind dabei zugunsten der Übersicht deutlich verfälscht dargestellt.

Fig. 4a (oben) zeigt eine V-förmigen Nut mit der Tiefe t und einer maximalen Breite c, wobei die beiden Flanken der V-förmigen Nut einen Winkel ß = 2a einschließen.

Der Winkel ß beschreibt, um welchen Winkel der Bereich des Kerns rechts (oder links) der Nut relativ zum linken (oder rechten) Bereich des Kerns umformbar ist (vgl. Fig. 4a unten) und errechnet sich aus ß = 2a = 2 tan^-1 (j-^·

Diese Formel ergibt sich aus geometrischen Überlegungen und beschreibt den formbaren Winkel ß exakt. Daraus folgt für den die beiden angrenzenden Flächen (im Schnitt entsprechend den unmittelbar benachbarten Verbindungsstrecken-Paaren eines Polygonzugs) einschließenden Winkel γ = 180° - ß.

Die Ausführung eines Kerns mit V-förmigen Schlitzen oder Nuten ist hinsichtlich der maximal erzielbaren Kontaktfläche der Flanken der Schlitze oder Nuten bei der gewünschten Verformung bevorzugt (Fig. 4a unten). Dies resultiert in höherer Formgenauigkeit. Zur Herstellung V-förmiger Schlitze ist es jedoch notwendig, entweder mit einem Sägeblatt (beispielsweise einer Kreissäge) zwei Schnitte bei unterschiedlicher Werkzeugstellung durchzuführen (je ein Schnitt pro Flanke), oder ein spezielles Werkzeug entsprechend der Form der Nut zu produzieren.

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Fig. 4b (oben) zeigt eine U-förmige Nut (mit rechteckigem Querschnitt) mit der Tiefe t und der Breite c, wobei der Winkel ß den möglichen formbaren Winkel bezeichnet. Für Nuten mit dieser Form errechnet sich der Winkel ß aus wobei dieser den formbaren Winkel lediglich näherungsweise beschreibt, da die Geometrie der Nut nach der Verformung nicht in trivialer Weise zu bestimmen ist (vgl. Fig. 4b unten). Für den eingeschlossenen Winkel zwischen den beiden angrenzenden Flächen gilt wiederum γ = 180°- ß.

Die Ausführung eines Kerns mit U-förmigen Schlitzen kann beispielsweise mit einem Sägeblatt bzw. einer Kreissäge eingebracht werden. Ein Schlitz bzw. eine Nut kann dabei mit einem Schnitt eingebracht werden.

Die Fig. 5a zeigt eine projizierte isoparametrische Kurve L_x mit einem Bereich konstanter Krümmung κ der Länge As. Dieser Bereich entspricht einem Kreisbogen mit Radius r = und liegt innerhalb der beiden vertikalen, kurzen Striche.

Fig. 5b zeigt die dazugehörige geometrische Konstruktion des durch einen Polygonzug A_xapproximierten Kreisbogens mit Radius r und der Länge As. Die Anzahl N(k) der Knotenpunkte K ist direkt proportional zur Krümmung κ im entsprechenden Bereich, wobei die Formel wie folgt hergeleitet werden kann:

Die Krümmung eines Kreisbogens ist gegeben durch das Verhältnis κ = wobei Δφ den Winkel bezeichnet, welcher den Bereich konstanter Krümmung κ der Länge As einschließt. Dieser Winkel kann näherungsweise als ganzzahliges Vielfaches des Winkels ß geschrieben werden, womit folgt, dass κ « Umstellen der Gleichung führt direkt auf die Formel

ΓN(As, κ) J « ä . As k.

Die Klammern Γ J bedeuten dabei, dass für die Anzahl N(As, κ) auf die näherliegende ganze Zahl gerundet wird.

Die kurze (heuristische) Herleitung zeigt, dass bei konstant bleibendem Winkel ß, welcher anhängig von der Form eines Schlitzes oder einer Nut ist, die Anzahl N(As, κ) der nötigen Schlitze oder Nuten pro Bogengrad vom Produkt der Krümmung κ mit der Länge As des Bereichs (welcher die besagte konstante Krümmung aufweist) abhängt. Für verschiedene

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Krümmungen in verschiedenen Bereichen entlang des Kerns eines erfindungsgemäßen Strukturelements und bei fix gewähltem As für alle Bereiche ändert sich damit die Anzahl N(k) der notwendigen Schlitze oder Nuten proportional zur Krümmung κ(χ,γ) im entsprechenden Bereich und folglich ändern sich die Abstände von unmittelbar benachbarten Schlitzen oder Nuten entsprechend.

Die Fig. 6 zeigen einen geformten Kern, wobei die Form gemäß Fig. 1 realisiert wurde. Das Schlitz- oder Nutmuster wurde dabei mit dem erfindungsgemäßen Algorithmus eruiert. Aus Fig. 6a ist erkennbar, dass die Schlitz- oder Nutentiefe t der Dicke d des Kerns entspricht, was zu einer Facettierung an der konvexen Seite der gekrümmten Freiformfläche führt. In Fig. 6b ist die Schlitz- oder Nutentiefe mit t « 0,75 d derart gewählt, sodass die Facettierung im Wesentlichen nicht mehr oder nur mehr in geringem Maße erkennbar ist.

In manchen Situationen kann eine Facettierung gewünscht sein. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass im Falle von gekrümmten oder nicht parallel zueinander verlaufenden Schlitzen oder Nuten Facetten entstehen, welche der geometrischen Dynamik des Strukturelements bzw. eines durch mehrere Strukturelemente gebildeten Bauteils optisch entspricht und die Facettierung somit nicht störend, sondern optisch vorteilhaft wirkt.

In vielen Fällen sind geradlinige, jeweils in die x- und y-Richtung parallel zueinander verlaufende Schlitze oder Nuten das Ergebnis des erfindungsgemäßen Algorithmus. Die Schlitze oder Nuten in %-Richtung sind dabei vorzugsweise orthogonal zu jenen in y-Richtung angeordnet.

Bei speziell gekrümmten Freiformflächen können jedoch aus folgenden Gründen auch gekrümmte oder nicht zueinander parallel verlaufende Schlitze oder Nuten aus einem erweiterten erfindungsgemäßen Algorithmus resultieren. In einem solchen komplizierteren, nicht dargestellten Fall, bei welchem beispielsweise die entlang der y-Achse verlaufende Krümmung in jedem Bereich entlang der %-Achse verschieden ist, sind in beliebigen Abständen entlang der x-Achse isoparametrische Kurven L_y auszuwählen, wobei jede dieser Kurven gemäß erfindungsgemäßem Algorithmus durch einen Polygonzug approximiert und abgewickelt wird. Die Polygonzüge mit ihren Knotenpunkten K sind entsprechend der zuvor gewählten Abstände entlang der x-Achse in der Ebene anzuordnen, sodass jeweils ein Knotenpunkt K einer isoparametrischen Kurve mit einem nächsten Knotenpunkt K einer nächsten isoparametrischen Kurve verbunden werden kann. Dies wird für alle Knotenpunkte K einer isoparametrischen Kurve wiederholt, wobei sich die Verbindungslinien nicht kreuzen dürfen. Zusätzlich zu dieser Bedingung kann beispielsweise festgelegt werden, dass immer

15/33 die nächstliegenden Knotenpunkte verschiedener Polygonzüge miteinander verbunden werden. Dieses Prozedere ist in die komplementäre Richtung in gleicherweise durchzuführen.

Die zusammengesetzten Verbindungslinien zwischen den Knotenpunkten K können durch eine Ausgleichsfunktion geglättet werden, wobei jede Ausgleichsfunktion einer zum Schlitzoder Nutenmuster gehörenden Schlitz- oder Nutenlinie entspricht. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die Schlitze oder Nuten nicht geradlinig, sondern krummlinig vorzusehen sind.

Für komplexere Krümmungen wie in Fig. 7 gezeigt, werden die Knotenpunkte K nicht verbunden. Es ist dann vorgesehen, dass die Schlitze oder Nuten von zumindest einem Teil der Knotenpunkte K einer Abwicklung A_x.' (hier i = 1,...,4) einer durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve zu einer nächsten Abwicklung A_x.₊₁' einer unmittelbar benachbarten und/oder nicht unmittelbar benachbarten und durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve eingebracht werden. Die Schlitze oder Nuten können dabei alle parallel oder gekrümmt oder teilweise parallel und teilweise gekrümmt verlaufen. Es kann auch notwendig sein, empirisch zu eruieren, zwischen welchen Abwicklungen von approximierten isoparametrischen Kurven die Schlitze oder Nuten verlaufen, wobei für die Approximation jeder isoparametrischen Kurve der erfindungsgemäße Algorithmus angewandt wird.

In Fig. 7a ist exemplarisch dargestellt, dass entlang der %-Richtung eine isoparametrische Kurve gewählt und durch einen Polygonzug approximiert wurde, wobei die Abwicklung A_y' mit ihren Knotenpunkten K dargestellt ist. Entlang der y-Richtung werden in diesem Beispiel vier Abwicklung A_x.' (i = 1,...,4) gewählt, wobei die Abwicklung A_xß mit den entsprechenden Knotenpunkten K exemplarisch dargestellt ist.

In Fig. 8a ist beispielhaft ein Kern mit mittels erfindungsgemäßem Algorithmus eruiertem Schlitz- oder Nutenmuster zu erkennen. Die Schlitze oder Nuten werden mittels Schneidverfahren oder Fräsverfahren eingebracht. Das überflüssige Material eines Schlitzes oder einer Nut kann U-förmig spanend abgetragen werden, beispielsweise mit einer Kreissäge oder einer Fräse, oder mit zwei Schnitten V-förmig als Vollmaterial entfernt werden, wobei auch Lasergravieren denkbar ist. Auch thermische Verfahren jeglicher Art können zum Einbringen von Schlitzen oder Nuten zum Einsatz kommen.

Das Einbringen der Schlitze oder Nuten dient dabei neben der notwendigen Beseitigung von überschüssigem Material (aufgrund der Mannigfaltigkeit) auch der gezielten Reduktion der

16/33 (lokalen) Biegefestigkeit im Bereich der Schlitze oder Nuten. Die Biegefestigkeit ist dabei über die Tiefe t der Schlitze oder Nuten einstellbar.

Der Kern gemäß Fig. 8a ist zweifach gleichsinnig krümmbar, wie insbesondere in Fig. 8b zu erkennen. Durch die adhäsive Verbindung der Flanken der Schlitze oder Nuten kann die Form dauerhaft fixiert werden. Die Fig. 9 zeigen analog dazu einen einfach gegensinnig krümmbaren bzw. gekrümmten Kern eines Strukturelementes.

Allen formbaren erfindungsgemäßen Kernen ist gemein, dass Schlitze oder Nuten im Bereich der Fläche mit konkaver Krümmung vorgesehen sind. In besonderen Ausführungsformen können auch Schlitze oder Nuten im Bereich der Fläche und/oder Flächen mit konkaven und/oder konvexen Krümmungen vorgesehen sein.

Die Fig. 10 zeigen das Grundprinzip eines Verfahrens zur Herstellung unterschiedlicher erfindungsgemäßer Strukturelemente. Die Formgebung wird dabei durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Vakuumsack-Methode realisiert. Bei diesem Verfahren wird ein zunächst plattenförmiger und erfindungsgemäß mit Schlitzen oder Nuten versehener Kern eines Strukturelements in einen Vakuumsack S eingebracht, welcher im Wesentlichen luftdicht verschlossen wird. Übereine Leitung V wird mittels Vakuumpumpe bzw. Unterdruckpumpe ein Unterdrück im Vakuumsack S erzeugt. Dies bewirkt, dass der Kern aufgrund des allseitig vorherrschenden atmosphärischen Drucks die gewünschte Form einnimmt und das erfindungsgemäße Strukturelement gebildet wird. Mit einem erfindungsgemäßen Kern mit einem Schlitz- oder Nutenmuster gemäß dem erfindungsgemäßen Algorithmus kann die Formgebung ohne Form-Werkzeuge bzw. Form-Negative wie Gesenke, Schalungen und dergleichen erfolgen. Die Form eines erfindungsgemäßen Strukturelementes ist somit selbstfindend.

Um zu gewährleisten, dass die Form ohne Unterdrück im Vakuumsack erhalten bleibt, werden die Flanken der Schlitze miteinander verklebt, entsprechend der Fig. 10a und b. Ein Kleber oder Harz wird dabei bereits vor der Einbringung des Kerns in den Vakuumsack S eingebracht. Der Vakuumsack S wird nach Aushärtung des Klebers entfernt.

Alternativ dazu kann eine thermische Behandlung - abhängig vom verwendeten Ausgangsmaterial beispielsweise bei 80°C in einem Ofen oder dergleichen - angewendet werden, welche zum selben Ziel führt. Teilweise kann eine thermische Behandlung während der Erzeugung eines Unterdrucks im Vakuumsack S vorteilhaft sein, da sich der Kern durch

17/33 die strukturelle Änderung des Materials in Richtung der gewünschten Form sozusagen unterstützend zusammenzieht.

In der Fig. 10b ist gezeigt, dass der Kern und folglich das Strukturelement an einer oder beiden Flächen mit einem Fasergewebe als Hülle versehen werden kann. Das Fasergewebe kann bevorzugt ein sogenanntes Prepreg („preimpregnated fibers“) sein. Dabei handelt es sich um vorimprägnierte textile Faser-Matrix-Halbzeuge bestehend aus Polyester- oder Epoxyharz, und aus Glasfaser-, Kohlefaser -, Naturfaser- oder Aramidfasergewebe. Als Hülle können jedoch verschiedenste Materialen, beispielsweise feuerresistente, UV-beständige, reflektierende, dekorative Materialien aus Metall, Holzwerkstoff, Kunststoff oder dergleichen zum Einsatz kommen.

Eine weitere Variante des Verfahrens ist in Fig. 10c gezeigt. Dabei wird das VakuuminfusionsVerfahren angewandt. Neben der Vakuumleitung V ist eine weitere Leitung H zur Infusion von Harz vorhanden, wodurch der Kern, mit oder ohne Fasergewebe, mit Harz getränkt werden kann. Wiederum kann der Vakuumsack S nach der Aushärtung des Harzes entfernt werden, wobei die Form des Strukturelement erhalten bleibt.

Die Fig. 11a zeigt ein fertiges, einfach gegensinnig gekrümmtes Strukturelement ohne Hülle, Fig. 11b zeigt ein solches Strukturelement mit Hülle. Wie bereits erwähnt kann die Hülle diverse Eigenschaften aufweisen und verschiedene Aufgaben übernehmen. In erster Linie dient die Hülle der Stabilität und somit der Belastbarkeit des Paneels. Bei einer zweiseitigen Hülle, bei welcher jeweils zumindest eine Deckschicht auf eine Fläche des Kerns aufgebracht wird, entsteht ein 3-lagiges (oder mehrlagiges) Verbundbauteil bzw. ein sogenanntes Sandwichpaneel. Der leichte, aber wenig schub- und biegesteife Kernwerkstoff bildet mit den zwei dehnsteifen Deckschichten ein hochbelastbares und dennoch sehr leichtes Strukturelement.

Wird die Deckschicht bzw. Hülle nur einseitig aufgebracht, erhöht diese noch die Biegesteifigkeit des Kerns, und die Belastbarkeit ist gegenüber einem Strukturelement mit zwei gegenüberliegenden Deckschichten als Hülle jedoch verringert. Der Kernwerkstoff dient jenseits der Formgebung in einem solchen Fall meistens der Wärme- und Schalldämmung bzw. als sogenannte verlorene Schalung.

Die Hülle kann außerdem auch dekorativen Charakter aufweisen. Beispielsweise ist die Einbringung flächiger Lichtelemente oder andersförmiger Lichtelemente denkbar. Weiters

18/33 kann die Hülle aus flexiblen Photovoltaikelementen bestehen, um insbesondere in der Anwendung für ein Gebäude einen ökologischen und energieeffizienten Ansatz zu verfolgen.

Ein erfindungsgemäßes Strukturelement kann beispielsweise auch derart gestaltet sein, insbesondere können die Schlitze oder Nuten derart gestaltet sein, dass stromführende Elemente eingebracht werden können. Denkbar ist dabei, dass die in Fig. 4b (unten) erkennbaren Hohlräume für Stromleitungen genützt werden. Bei der Anordnung mehrerer Strukturelemente könnten die Stromleitungen jeweils zweier benachbarter Strukturelemente miteinander verbunden werden. Ein V-förmiger Schlitz gemäß Fig. 4a kann beispielsweise im spitz zusammenlaufenden Bereich zusätzliche Ausnehmungen aufweisen, sodass stromführende Elemente bzw. Stromleitungen oder Lichtelemente oder dergleichen untergebracht werden können.

Solche zusätzliche Ausnehmungen können auch vorteilhaft für die Verformung sein, da einer möglichen Wulstbildung entgegengewirkt wird. Auch können Aussparungen im Bereich der an den Flächen des Kerns angrenzenden Kanten vorgesehen sein, um den Harzfluss in die Schlitze oder Nuten zu begünstigen.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass bereits vor dem Einbringen von Schlitzen oder Nuten auf den zu schlitzenden Bereich eines Kerns verstärkende Gewebelagen bzw. Fasergewebelagen aufgebracht werden. Diese verstärkenden Lagen können dann mitgeschlitzt werden. Eine solche Verstärkung verbessert die Stabilität im Bereich zwischen den Schlitzen oder Nuten, was in erhöhter Formgenauigkeit und Formstabilität resultiert.

Erfindungsgemäße Strukturelemente können in sämtlichen Bereichen der Technik, insbesondere in der Architektur, im Schiffs- und Flugzeugbau sowie im Windkraftanlagenbau eingesetzt werden.

Im Bereich der Architektur können mit solchen kostengünstig herzustellenden Strukturelementen beispielsweise freigeformte Fassaden hergestellt werden. In der Innenarchitektur können Möbelelemente hergestellt werden. Im Schiffs- und Flugzeugbau sowie im Windkraftanlagenbau ist die Formgestaltung jeglicher Art denkbar. Dabei können mehrere Strukturelemente aneinandergefügt werden, wobei ein einzelnes Strukturelement einem Freiformsegment entspricht.

Neben der kostengünstigen Herstellung gehören die hohe Formgenauigkeit sowie die hohe Stabilität bei leichtem Gewicht zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Strukturelemente.

Claims

ANSPRÜCHE

1. Kern eines Strukturelements, wobei der Kern im Wesentlichen plattenförmig ist und zwei vorzugsweise im Wesentlichen parallele, gegenüberliegende und voneinander beabstandete Flächen aufweist, wobei der Kern in zumindest einem Bereich mit Schlitzen oder Nuten mit einer maximalen Breite (c) und einer Tiefe (t) versehen ist, wobei die Schlitze oder Nuten Abstände zueinander aufweisen, wobei die Strecke zwischen zwei Schlitzen oder Nuten eine im Wesentlichen gerade Verbindungstrecke darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände unmittelbar benachbarter Schlitze oder Nuten variieren.
2. Kern eines Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flächen eine polygonale, rechteckige, quadratische, ovale oder kreisförmige Form aufweisen, wobei die äußere Form des Kerns den Rand des Kerns definiert.
3. Kern eines Strukturelements nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze oder Nuten geradlinig verlaufen, wobei zumindest einer der Schlitze oder Nuten im Wesentlichen von Rand zu Rand des Kerns verläuft.
4. Kern eines Strukturelements nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze oder Nuten gekrümmt verlaufen, wobei die Schlitze oder Nuten im Wesentlichen von Rand zu Rand des Kerns verlaufen.
5. Kern eines Strukturelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze oder Nuten in zumindest einem Bereich nicht parallel zueinander sind.
6. Kern eines Strukturelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schlitz oder zumindest ein Nut U-förmig ausgebildet ist.
7. Kern eines Strukturelements nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern eines Strukturelements im Bereich eines Schlitzes oder einer Nut derart formbar ist, dass zwei benachbarte und durch einen Schlitz oder Nut getrennte, gerade Verbindungsstrecken einen Winkel γ = 180° - ß einschließen, wobei

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8. Kern eines Strukturelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schlitz oder zumindest eine Nut V-förmig ausgebildet sind.
9. Kern eines Strukturelements nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern eines Strukturelements im Bereich eines Schlitzes oder einer Nut derart formbar ist, dass zwei benachbarte und durch einen Schlitz oder Nut getrennte, gerade Verbindungsstrecken einen Winkel γ = 180° - ß einschließen, wobei β = 2 tan ¹
10. Kern eines Strukturelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem formbaren Bereich (As) die Anzahl (N) der Schlitze oder Nuten pro Längeneinheit gemäß Formel

ΓN(As, k)J direkt proportional zum Produkt der formbaren Krümmung κ in diesem Bereich mit der Länge des Kreisbogens As mit Radius r = l/κ im selben Bereich ist.
11. Kern eines Strukturelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze oder Nuten in zumindest einem Bereich jeweils auf jener der beiden Flächen des Strukturelements angeordnet sind, welche in demselben Bereich konkav krümmbar ist.
12. Verfahren zur Ermittlung eines Schlitzmusters oder Nutenmusters für den formbaren Kern eines Strukturelements, umfassend folgende Schritte:

i) Erstellen eines 3D-CAD-Modells einer Freiformfläche entsprechend dem Kern eines Strukturelements mit im Wesentlichen beliebigem Krümmungsverlauf;

ii) Extrahieren zumindest einer isoparametrischen Kurve (L_x,L_y), wobei die zumindest eine isoparametrische Kurve (L_x,L_y) im Wesentlichen orthogonal zur gewünschten Schnittrichtung (S_x,S_y) der Schlitze oder Fräsrichtung der Nuten ausgerichtet ist;

Projizieren der zumindest einen isoparametrischen Kurve auf eine Ebene;

Approximieren der projizierten isoparametrischen Kurve (L_x,L_y) als Polygonzug, wobei die isoparametrischen Kurve (L_x,L_y) in geradlinige Streckenabschnitte unterteilt wird, wobei die Streckenabschnitte den Verbindungsstrecken zwischen den Schlitzen oder Nuten entsprechen, wobei der eingeschlossene Winkel y = 180°-/? jeweils zweier Verbindungsstrecken für alle Verbindungsstrecken im Wesentlichen gleichbleibend ist, wobei

21/33 der Winkel ß für U-förmige Schlitze gemäß ß « tan ¹ (θ und für V-förmige Schlitze gemäß ß = 2 tan^-1 gegeben ist, wobei jeder Schnittpunkt zweier benachbarter Verbindungsstrecken einem Knotenpunkt entspricht;

v) Abwickeln des in Schritt iv) ermittelten Polygonzugs, wobei die Position der Knotenpunkte (K) des abgewickelten Polygonzugs (A_x,A_y) die Positionen der Schlitze oder Nuten darstellt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte i) bis v) für eine andere Krümmungsrichtung wiederholt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte i) bis v) für weitere isoparametrische Kurven (L_x,L_y) durchgeführt werden, wobei die Position der isoparametrischen Kurven {L_x, L_y) entlang der Freiformfläche derart gewählt wird, dass entlang der Schnittrichtung die Änderung der Krümmung im Wesentlichen orthogonal zur Schnittrichtung erfasst werden kann.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Knotenpunkte der isoparametrischen Kurven (L_x,L_y) verbunden werden, wobei jeweils ein Knotenpunkt (K) einer isoparametrischen Kurve mit einem Knotenpunkt einer nächsten isoparametrischen Kurve verbunden wird, wobei sich die Verbindungslinien nicht kreuzen, wobei die Verbindungslinien stetige Polygonzüge bilden, wobei die Polygonzüge durch Anpassungsfunktionen geglättet werden und jede Anpassungsfunktion einer Schnittlinie für Schlitze oder einer Fräslinie für Nuten entspricht.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze bereichsweise eingebracht werden, wobei die Schlitze oder Nuten von einer Abwicklung (A_x,A_y) einer durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve (L_x,L_y) zu einer Abwicklung (A_x,A_y) einer unmittelbar benachbarten und/oder nicht unmittelbar benachbarten und durch einen Polygonzug approximierten isoparametrischen Kurve (L_x,L_y) eingebracht werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes, umfassend einen Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

i) Ermitteln eines Schlitzmusters oder Nutenmusters nach Anspruch 12;

ii) Einarbeiten der Schlitze oder Nuten entsprechend dem ermittelten Schlitzmuster oder Nutenmusters in Schritt i) in den Kern;

22/33 iii) optional Eindecken des Kerns mit zumindest einer Gewebelage als Hülle;

iii) Einbringen des geschlitzten Kerns in eine Vakuumsack (S) und Erzeugen von Unterdrück im Vakuumsack (S), wobei durch die in den Kern eingebrachten Schlitze oder Nuten die Form, welche der Kern unter Einwirkung des atmosphärischen Drucks einnimmt, definiert ist;

iv) optional Harzinfusion bei Unterdrück im Vakuumsack, wobei das Harz den Kern umströmt und die Flanken der Schlitze oder Nuten nach der Aushärtung adhäsiv miteinander verbindet;
18. Strukturelement für Freiformflächen, erhalten durch ein Verfahren nach Anspruch 15.
19. Verwendung eines Strukturelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anspruch 16 zur geometrischen Modellierung von Gebäudeelementen und/oder von Möbelelementen und/oder von Windkraft- und/oder Flugzeug-, und/oder Schiffsbauteilen.