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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Trägerstrukturen, die zur Aufnahme
von Kräften
und von Verformungsenergie geeignet sind. Bauteile dieser Art finden
u.a. in Kraftfahrzeugen Verwendung, etwa als Seitenaufprallschutz-Träger in Türen oder als
Frontaufprallträger,
wenn die Aufnahme von Verformungsenergie primäres Auslegungskriterium ist, oder
beispielsweise als Rahmenelement in Space-Frame-Strukturen oder Stabelement in Fachwerkstrukturen,
wenn die Auslegung in erster Linie auf die Aufnahme von Kräften im
elastischen Bereich hin erfolgt. Nach dem Stand der Technik werden
hierzu offene oder geschlossene Aluminium- oder Stahlprofile verwendet.
Dies ist beispielsweise in der
EP 0 869 019 A2 offenbart. Die Herstellung
von Sandwichmaterialien mit metallischen Deckschichten und mit diesen
metallurgisch verbundenem Metallschaum-Kern wird in der
DE 44 26 627 offenbart.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung von einseitig plattierten
Verbundmaterialien und einfachen Bauteilen aus derartigen Werkstoffen
finden sich darüber hinaus
in
DE 100 24 004 A1 .
Weiterhin werden konventionelle Trägerstrukturen mit Werkstoffen
kombiniert, die bezüglich
der Aufnahme von Verformungsenergie besondere Eigenschaften besitzen
und/oder eine hohe spezifische Steifigkeit aufweisen, beispielsweise
Metall- oder Polymerschäume
(
DE 41 33 144 A1 ,
DE 39 25 821 A1 ,
DE 197 56 459 A1 ).
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Die
Anwendung von Aluminiumschaum zur Aufnahme axialer Belastungen ist
auch beispielsweise in der
DE
199 04 030 A1 offenbart.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Trägerstrukturen zur Aufnahme
von Kräften
und Verformungsenergie sowie Verfahren zur Herstellung derartiger
Trägerstrukturen
zur Verfügung
zu stellen, mit denen hervorragend Verformungsenergie, insbesondere
unter Biegebelastungen, aufgenommen und die Gefahr des Knickens
der betreffenden Strukturen unter Biege- und axialen Belastungen
minimiert werden kann unter Ausbildung sehr steifer Strukturen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Trägerstrukturen
nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 42 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Trägerstrukturen und des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
gegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Trägerstrukturen
vorgeschlagen, die auf zwei- und mehrschichtigen Verbundmaterialien
beruhen, wobei mindestens eine der Schichten aus einem Metallschaum
besteht, der durch eine metallische Verbindung mit mindestens einer
weiteren Metallschicht verbunden ist. Die erfindungsgemäßen Varianten
der erfindungsgemäßen Trägerstrukturen
verbindet der prinzipielle Aufbau auf der Basis der dargestellten Verbundmaterialien.
Diese bilden sehr steife Strukturen aus, die geeignet sind, die
Gefahr eines Versagens durch Knick- oder Beulvorgänge insbesondere flächenhaft
ausgeprägter
Bereiche des Trägers
zu minimieren und zusätzlich
im Falle des Versagens aufgrund der Eigenschaften des Metallschaumanteils mit
diesem eine Komponente aufweisen, die per se über ein hervorragendes Energieabsorptionsvermögen verfügt. Dabei
spielt die durch den metallischen Verbund gegebene Integration von
Metallschaumschicht und mindestens eine Trägerschicht eine entscheidende
Rolle sowohl für
die Erreichung der Steifigkeit als auch des Energieabsorptionsvermögens. Hierin
besteht eine fundamentale Abgrenzung gegen den derzeitigen Stand
der Technik, der sich auf die Nutzung separat hergestellter, eingeklebter
Metallschaum-Komponenten beschränkt.
Die erfindungsgemäßen Trägerstrukturen
auf Basis der beschriebenen Sandwichkonstruktion können verglichen
mit derartigen Trägerstrukturen
aus dem Stand der Technik auf einfachere und kostengünstigere
Weise hergestellt werden, da die Anzahl der Fertigungsschritte verringert
wird. Darüber
hinaus werden konstruktive Ausprägungen
möglich,
die sich etwa bei Nutzung eingeklebter Metallschaum-Komponenten
aus geometrischen Gründen
(Hinterschneidungen etc.) ausschließen, so daß eine bessere Anpassung der
Trägerstrukturen
an den jeweiligen Lastfall erfolgen kann. Insgesamt ist bei den
erfindungsgemäßen Trägerstrukturen
das Energieabsorptionsverhalten bei statischer und/oder dynamischer
Biegebelastung verbessert. In gleicher Weise wie im Falle der Biegebelastung
kann das beschriebene Grundprinzip genutzt werden, um die Knickgefahr
von in Längsrichtung
belasteten Trägern,
wie sie etwa in Stabtragwerken Verwendung finden, zu vermindern.
Wo die Knicklast wichtiges Auslegungskriterium ist, können nach
diesem Prinzip Gewichtseinsparungen realisiert werden.
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Im
folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Trägerstrukturen gegeben.
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1 zeigt
eine erste erfindungsgemäßen Trägerstruktur
und ihre Herstellung;
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2 bis 4 zeigen
weitere erfindungsgemäße Trägerstrukturen;
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5 zeigt
die Herstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Trägerstruktur;
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6 bis 7 zeigen
weitere erfindungsgemäße Trägerstrukturen;
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8 zeigt
das Vormaterial für
die Herstellung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur;
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9 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Trägerstruktur;
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10 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Trägerstruktur;
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11 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Trägerstruktur;
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12 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Trägerstruktur;
und
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13 zeigt
die Herstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Trägerstruktur.
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1 zeigt
eine Trägerstruktur,
die umformtechnisch aus einem einseitig plattierten Sandwichmaterial
hergestellt wird. Hier wie in den folgenden Figuren werden für gleiche
oder entsprechende Elemente gleiche bzw. entsprechende Bezugszeichen verwendet.
In den 1A, B und C ist dabei der Herstellungsprozeß dargestellt. 1A zeigt das einseitig plattierte Sandwichmaterial,
das eine Schicht 1 aus Metall und eine Schicht 2 aus einem Metallschaum-Vormaterial
in nicht aufgeschäumtem
Zustand aufweist. Ein derartiges Sandwichmaterial kann beispielsweise
durch Walzplattieren hergestellt werden. In 1B ist
dargestellt, wie dieses Sandwichmaterial zu einem Rohr umgeformt
wurde. Dies kann beispielsweise durch Rohrwalzen, Walzprofilieren oder
andere zur Herstellung von Hohlprofilen aus Blechmaterial nutzbare
Verfahren erfolgen. In 1C ist die
Trägerstruktur
im fertigen Zustand dargestellt, nachdem das nichtgeschäumte Metallschaum-Vormaterial 2 aufgeschäumt wurde
und als Metallschaum 2' den
gesamten Hohlraum des Hohlprofiles füllt. Entscheidend ist nun,
daß bereits
bei dem einseitig plattierten Ausgangsmaterial gemäß 1A eine metallische Verbindung zwischen
dem Metallschaum 2 und dem Profilmantel 1 besteht,
die während
des Schäumens
erhalten bleibt.
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Die
Querschnittsgeometrie des dargestellten Profils kann abhängig von
den verwendeten Umformwerkzeugen unterschiedlich ausgeprägt sein.
Ebenso kann durch geeignete Maßnahmen
wie z.B. das Einführen
eines Kernes in das Hohlprofil ein vollständiges Ausschäumen des
Profils verhindert werden, so daß der entstehende Träger je nach
Geometrie des Kernes auch nach dem Ausschäumen komplett oder in Teilabschnitten
den Charakter eines Hohlprofils aufweist. Auf diese Weise können Eigenschaften des
Trägers
wie Festigkeit, Steifigkeit etc. lokal variiert und damit den jeweiligen
Anforderungen optimal angepaßt
werden.
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Bei
einem derartigen Kern kann es sich auch um ein weiteres Hohlprofil
handeln, das nach dem Ausschäumen
des Bereichs zwischen den beiden Profilen innerhalb des äußeren Profils
verbleibt und damit Teil der Trägerstruktur
wird. Zu diesen Zweck kann es zumindest lokal mit einer Querschnittsgeometrie
versehen werden, die nach dem Ausschäumen durch Formschluß zwischen
innerem Profil und Schaum eine Bewegung der Profile gegeneinander verhindert
oder in ihren Freiheitsgraden beschränkt (siehe auch 10).
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Ebenso
kann das innere Profil auf seiner Außenseite über eine aufschäumbare Schicht
verfügen und
der Raum zwischen den Profilen durch Aufschäumen dieser Schicht gefüllt werden.
Relativbewegungen der Profile können
dann bevorzugt über die
Geometrie des äußeren Profils
kontrolliert werden (siehe auch 11).
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Weiterhin
können
beide Profile auf der dem jeweils anderen Profil zugewandten Seite über eine schäumbare Schicht
verfügen,
so daß es
beim Ausschäumen
des Hohlraumes zwischen den Profilen zu einem Ineinanderlaufen der
Schäumfronten
kommt und eine Verbindung zwischen beiden Profilen über den
so geschaffenen Zusammenhalt im Schaum erfolgt (siehe auch 12).
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Die
Profile können
umformtechnisch so hergestellt werden, daß die Enden des Hohlprofils
als offene Profile erhalten bleiben, um die Einbindung in eine übergeordnete
Gesamtstruktur zu erleichtern. Dies kann unter anderem dadurch geschehen,
daß das
flache Vormaterial im gewünschten
Abstand mit Einbuchtungen versehen wird, so daß das Profil in dem betreffenden
Bereich nicht geschlossen werden kann, da die lokale Breite des
Ausgangsmaterials geringer ist als der Umfang der erzeugten Hohlstruktur. Wenn
der Abstand dieser Einbuchtungen der Länge eines Trägers entspricht,
ergeben sich durch einfaches Ablängen
Träger
mit offen auslaufenden Enden.
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Der
besondere Vorteil von Trägern
dieses Typs gegenüber
herkömmlichen,
mittels nachträglich eingebrachter
Metallschaumkerne verstärkten
offenen oder Hohlprofilen besteht in der Tatsache, daß statt
einer z.B. klebtechnisch herzustellenden Verbindung eine metallische
Verbindung bereits besteht und damit das getrennte Aufschäumen des
Kerns bzw. Einlegers sowie die Herstellung der Verbindung zwischen
diesem und der umgebenden Struktur aus konventionellem Material
entfällt.
Damit entfällt
eine mögliche
Schwachstelle innerhalb des Trägers,
wie sie eine nachträglich
zu erstellende Verbindung darstellen könnte. Weiterhin wird der Fertigungsablauf insofern
vereinfacht, als daß einerseits
der zusätzliche
Fertigungsschritt der Herstellung der Verbindung entfällt, andererseits
bei der Erzeugung des Schaums aus dem Metallschaum-Vormaterial geringere
Anforderungen an die Einhaltung geometrischer Toleranzen gestellt
werden können,
da keine Passung zwischen Metallschaum- und anderer Komponente erzeugt
werden muß,
wie dies andernfalls je nach Art der gewählten nachträglichen
Verbindung erforderlich sein könnte.
Darüber
hinaus macht das Ver fahren die Herstellung auch solcher Profile
mit über
die Länge
variablem Querschnitt möglich,
die ein Einschieben eines separat gefertigten Metallschaum-Kerns
aus geometrischen Gründen
nicht gestatten würden.
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Derartige
Profile können
beispielsweise durch vor dem Aufschäumen durchgeführte Innenhochdruck-Umformung
(IHU) oder auf einem anderen zur lokalen Veränderung des Querschnitts eines Hohlprofils
geeigneten Verfahren beruhender Verformung eines aus einseitig mit
schäumbarem
Halbzeug plattiertem Blech aufgebauten Hohlprofils erzeugt werden.
Damit wird beispielsweise eine Variation der Flächenträgheitsmomente und damit der Steifigkeit über die
Länge möglich mit
der Option, die größte lokale
Steifigkeit gezielt an den Ort der größten Belastung zu legen. Darüber hinaus
kann die beschriebene Option verwendet werden, um einen vorhanden,
stark beschränkten
Bauraum optimal auszunutzen. Bezogen auf den eingangs erwähnten Anwendungsfall
eines Seitenaufprallschutz-Trägers
in einer Fahrzeugtür
kann etwa die Außenkontur
der Trägerstruktur
an die Krümmung
des Türaußenblechs
angepaßt
oder eine Einbeulung im Bereich der Mitnehmer der Seitenscheibe
vorgesehen werden.
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Dieselben
Optionen bestehen auch für
die oben beschriebenen, aus zwei Hohlprofilen aufgebauten Träger, und
zwar sowohl bezogen auf das innere, das äußere oder beide Profile.
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2 zeigt
eine weitere Trägerstruktur,
die einen dreischichtigen Verbund aus konventionellem Blechmaterial 1 mit
einer mittleren Lage aus aufschäumbarem
Material 2 aufweist. Über
ein geeignetes Umformverfahren wird eine die Steifigkeit der Trägerstruktur
erhöhende
Querschnittsgeometrie aufgeprägt,
im Falle der 2 eine Wellenform. Diese Geometrie
kann auch gegebenenfalls über
die Länge des
Trägers
variiert werden. Weiterhin können
die Anbindungsbereiche des dargestellten Trägers, also die beiden Enden,
flachgestaltet werden, um eine Flanschfläche zu erzeugen, über die
der erfindungsgemäße Träger mit
einer umgebenden Struktur verschraubt oder anderweitig verbunden
werden kann. Die umgebende Struktur kann beispielsweise im Falle
eines Kraftfahrzeug-Seitenaufprallträgers das Türinnenblech sein oder im Falle
eines Frontaufprallträgers
die beiden Crash-Boxen, die die Verbindung zum Längsträger herstellen. Die Variabilität der Querschnittsgeometrie über die
Länge des
Trägers
kann außerdem über die
Wahl der Geometrie des Zuschnitts des Ausgangsblechmaterials erzielt
werden.
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Ebenso
können
erfindungsgemäße Trägerstrukturen
auf Basis von tailored blanks (aus unterschiedlichen Materialien
zusammengefügte
Blechplatinen) oder tailored tubes (aus unterschiedlichen Materialien
zusammengefügte
Rohrabschnitte) gefertigt werden. Dabei handelt es sich jeweils
bei mindestens einem der zur Herstellung der tailored blanks bzw.
tailored tubes zu verwendenden Blechzuschnitte oder Rohrabschnitte
um einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff, der aus mindestens einer
Schicht Metallschaum-Vormaterial und mindestens einer Schicht eines
metallischen Trägermaterials
aufgebaut ist.
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Im
Falle der Nutzung von tailored blanks erfolgt die Herstellung des
Profils, das sowohl einen offenen als auch einen geschlossenen Querschnitt
aufweisen kann, im Anschluss an die Herstellung des Vormaterial
als Verbund aus unterschiedlichen Blechzuschnitten. Für die Profilherstellung
können wiederum
sämtliche
gängigen
Verfahren, wie sie teilweise bereits oben aufgeführt wurden, genutzt werden.
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Im
Falle der tailored tubes werden vorab aus unterschiedlichen Materialien
Hohlprofile hergestellt, die anschließend zu einem einzelnen Profilelement zusammengefügt werden
können.
In einer Abwandlung des Verfahrens kann statt ausschließlicher
Nutzung von Hohlprofilen auch auf eine Kombination aus Hohlprofilen
und offenen Profilen zurückgegriffen werden.
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Tailored
tubes werden derzeit hauptsächlich in
Zusammenhang mit der Innenhochdruck-Umformung (IHU) eingesetzt.
Es handelt sich um ein Umformverfahren, bei dem über ein fluidisches Wirkmedium
innerhalb einer Hohlstruktur ein Innendruck aufgebaut wird, der
geeignet ist, die Wände
der betreffenden Hohlstruktur so weit plastisch zu verformen, daß die Geometrie
einer umgebenden Negativform auf die Hohlstruktur abgebildet wird.
Die Verwendung eines derartigen Verfahrens stellt eine weitere Möglichkeit
dar, die Querschnittsgeometrie einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur
lokal, d.h. über
die Länge
des Trägers,
zu variieren.
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Diese
Möglichkeit
besteht entsprechend den Möglichkeiten
des Umformverfahrens selbst für
alle Trägerstrukturen,
die über
ihre gesamte Länge
oder über
einen Teilbereich derselben eine geschlossene Struktur aufweisen,
und zwar jeweils für
diesen geschlossenen Teilbereich. Die Möglichkeit besteht weiterhin
für offene
Strukturen, wenn diese derartig gestaltet sind, daß z.B. eine
paarweise Verarbeitung zur Ausbildung einer „Hohlstruktur" für den Zeitraum der
Verformung führt.
Die Berührungsflächen beider Trägerstruktur-Elemente
fallen dann mit der Teilungsebene des für die Innenhochdruck-Umformung
verwendeten Werkzeugs zusammen (Innenhochdruck-Blechumformung, IHB).
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Als
weitere Möglichkeit
zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur kann der Grad der
Aufschäumung
des schaumfähigen
Materials zu der Metallschaum-Zwischenlage 2' durch geeignete Temperaturführung bzw.
-verteilung über
das Bauteil während
des Aufschäumvorganges
oder durch mechanisches Verklemmen des Profils bzw. eine mechanische
Behinderung der Expansion beeinflußt werden. Hier handelt es
sich um eine Analogie zur Verwendung der Kerne im Falle der lokal
oder global nur über
einen Teilquerschnitt ausgeschäumten
Profile. Die Rolle des Kerns im Falle der besagten Hohlprofile übernimmt
im Falle der hier skizzierten offenen Profile eine entsprechend
gestaltete Formkomponente.
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Der
Aufschäumvorgang
kann insbesondere im Falle von Hohlprofilen durchgeführt werden,
in dem die Trägerschicht,
die mit der schäumbaren Schicht
metallisch verbunden ist, mit einem Fluid in Kontakt gebracht wird,
das geeignet ist, die für
den Aufschäumvorgang
benötigte
thermische Energie über
den Kontakt zur Trägerschicht
und durch diese hindurch auf das Metallschaum-Vormaterial zu übertragen.
Dieses Fluid besitzt eine festgelegte Temperatur und erhitzt so
die Trägerschicht
und die schäumbare
Schicht auf die zum Aufschäumen
erforderliche Temperatur. Gegenüber
dem Aufschäumen in
einem herkömmlichen
Ofen besitzt diese Vorgehensweise den Vorteil, daß die Temperatureinbringung
gezielter erfolgen kann, ein höherer
Wirkungsgrad erzielt und die Temperaturkontrolle erleichtert wird.
Dies gilt insbesondere, wenn das besagte Fluid etwa in einem Kreislauf
zunächst
an der zu erwärmenden
Oberfläche
der Trägerschicht
entlangströmt, dabei
thermische Energie abgibt, wobei seine Temperatur sinkt, um anschließend über eine
geeignete Einrichtung wieder auf die erforderliche Prozeßtemperatur
gebracht zu werden und erneut an der zu erwärmenden Oberfläche vorbeizuströmen. Ermöglicht wird
dieses Verfahren durch die Existenz der Trägerschicht, die verhindert,
daß es
zu einem direkten Kontakt zwischen dem Fluid und dem sich bildenden Schaum
kommt. Prinzipiell ist dieses Aufschäumverfahren damit auch für Verbunde
mit mehr Schichten, als sie die hier beispielhaft benannten zweischichtigen
aufweisen, geeignet. Die genaue Einhaltung der Prozeßtemperatur
ist speziell dann erforderlich, wenn die Eigenschaften der nicht
aufschäumbaren Trägerschicht
durch eine thermische Belastung beeinträchtigt werden. Beispiele hierfür sind u.a.
auszuschäumende
Stahlstrukturen, deren Korrosionsbeständigkeit oder Kaltverfestigungszustand
durch Temperatureinfluss entgegen den Erfordernissen der Anwendung
beeinflußt
werden, so daß die
thermische Belastung durch den Aufschäumvorgang minimiert werden
muß, ebenso
Strukturen, für
die die Liquidustemperatur der Trägerschicht nahe der für das Aufschäumen des
Metallschaum-Vormaterial erforderlichen Temperatur liegt, so daß bei ungenauer oder
schwierig zu kontrollierender Prozessführung ein Aufschmelzen der
ersteren zu befürchten
ist. Dies ist etwa der Fall, wenn es sich bei dem Material der Trägerschicht
um eine Aluminiumlegierung handelt, die durch einen Aluminiumschaum
verstärkt
wird. Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf Strukturen mit
metallischem Verbund zwischen Metallschaum-Vormaterial und umgebender
Schicht beschränkt.
Es genügt
vielmehr, daß die
Struktur über eine
innenliegende Metallschaumkomponente verfügt, die in situ hergestellt
wird, wobei die geometrischen Verhältnisse derart beschaffen sein
müssen, daß die äußere, nicht
schäumbare
Struktur die aufzuschäumende
Komponente während
des gesamten Vor gangs von dem eingesetzten Fluid trennt. Als wärmeübertragendes
Fluid kommen beispielsweise Metallschmelzen, Glasschmelzen oder
Salzbäder
in Frage. Um zu verhindern, daß es
zu einer Phasenänderung
(z.B. Erstarrung bzw. Kristallisation) des Fluids bei Kontakt mit
dem Bauteil kommt, kann etwa mit einer überhitzten Schmelze gearbeitet
und/oder der Prozeß zwei- oder mehrstufig
gestaltet werden mit einer vorgeschalteten Vorwärmung des Bauteil. Ebenso kann
die Kontrolle der zur Stabilisierung der Schaumstruktur erforderlichen
Abkühlung
verbessert werden, sei es durch die Verwendung eines mehrstufigen
Prozesses in der Abkühlphase
oder durch die allgemein gegebene bessere Regelbarkeit der Temperatur
des Wärmeübertragungsmediums.
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3 zeigt
einen ähnlichen
Träger
wie in 2, wobei hier jedoch lediglich ein zweischichtiges
Verbundmaterial verwendet wird. In diesem Fall kann diejenige Seite
des Profils, die aus dem Metallschaum 2' besteht auf der dem erwarteten
Aufprall zugewandten Seite des Trägers angeordnet werden, um
in erster Linie das aufgeschäumte
Material 2' der Druckbelastung
auszusetzen und gleichzeitig mit der konventionellen Metallage 1 eine
gurtartige Struktur zu erzeugen, die den Metallschaum 2' unterstützt und
sicherstellt, daß ein
Energieabsorptionsvermögen
optimal genutzt werden kann, indem der Metallschaum 2' bei einem Aufprall
gegen das unterstützende
Material 1 gedrückt
und dort komprimiert wird. Als konventionelles Material kommt beispielsweise
in 3 ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech in Frage.
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Generell
gilt für
einen derartigen einseitigen Verbund wie in 3, daß durch
eine entsprechende Ge staltung der Schäumwerkzeuge der Metallschaumanteil 2' in seiner Querschnittsgeometrie
unabhängig
von der Geometrie des unterstützenden
konventionellen Materials ausgeformt werden kann.
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4 zeigt
eine Verbundstruktur wie in 3, wobei
sowohl der Querschnitt der Lage 1 als auch des Metallschaumes 2' längs des
Trägers
verschiedene Geometrien aufweisen. In 4A ist
eine Aufsicht auf einen derartigen Träger dargestellt, wobei in 4B, C und D die jeweiligen Querschnitte längs der
Linien B-B', C-C' bzw. D-D' dargestellt sind.
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Neben
einer über
die Länge
des Trägers
variablen Querschnittsgeometrie wie in 4 dargestellt
ist es auch möglich,
einen lokal variierenden Expansionsgrad des Metallschaumes 2' vorzusehen.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
mittels einer während
des Schäumvorganges
des Schaummaterials 2 auf dem schaumfähigen Halbzeug 2 zugewandten
Seite und von diesem durch den vom Schaum 2' einzunehmenden Bereich getrennte Formhälfte 4 mit
einer entsprechenden negativen Innenkontur dem Schaum 2' eine bestimmte
Geometrie aufzuprägen,
beispielsweise eine Wabenstruktur oder Rippenstruktur. Dies ist
beispielsweise in 5 dargestellt, wo mittels einer
Formhälfte 4 mit
rippenartigen Vertiefungen 5, 5' der Metallschaum 2 lediglich
in die entsprechende Form wie in 5B dargestellt,
aufgeschäumt
wird. So wird die von der Formhälfte 4 vorgegebene
Struktur auf der dem Trägerblech 1 abgewandten
Seite dem Metallschaum 2' aufgeprägt.
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6 zeigt
eine Trägerstruktur
mit einem vorgeformten Querschnitt sowohl der Trägerschicht 1 als auch des
Metallschaumes 2'.
Auf der linken Seite der Trägerstruktur
von 6 ist eine Sicke 11 zu erkennen, mit
der ein vorbestimmter Verformungsablauf induziert werden kann, so
daß die
Energieabsorption durch den Metallschaum in vorbestimmter Weise
erfolgt. Der Trägerstruktur
könnten
also, beispielsweise durch Gestaltung der Randbereiche der Trägerstruktur,
bestimmte Triggermerkmale, die eine Verformung in einer bestimmten
Weise begünstigen, eingeprägt werden,
so daß unvermeidliche
Knickvorgänge
in definierter Weise stattfinden.
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Wird
wie in 6 dargestellt, die Seitenwand des Profils leicht
nach innen eingedrückt
(Sicke 11), so wird bei Belastung ein Beulen der Seitenwand nach
außen
vermieden, nach innen aber begünstigt. Damit
wird sichergestellt, daß der
Schaum diesem Beulvorgang einen maximalen Widerstand entgegensetzt
und sein Energieabsorptionsvermögen
optimal genutzt wird.
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Das
Verformen der Profilwände
kann dabei sowohl vor als auch nach dem Schäumvorgang durchgeführt werden.
Erfolgt die Verformung erst nach dem Schäumvorgang, so wird zwangsläufig die Struktur
des Schaumes lokal weiter beeinflußt.
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7 zeigt
in ihren Teilfiguren A, B, C, D verschiedene Aufprallträger mit
Bereichen, die mehrschichtig, insbesondere in Sandwich-Bauweise,
aufgebaut sind, und die auch weitere Bereiche, die komplett aus
konventionellem Material bestehen, aufweisen. In jedem Falle der 7A bis 7D werden
dabei dreischichtige Sandwich-Verbunde unter Schaffung von Verbindungsbereichen
durch Zusammenpressen der Schaumlage der Sandwich-Strukturen verwendet.
Eine Nutzung zwei- oder mehrschichtiger Ausgangsmateriali en ist
jedoch in gleicher Weise möglich.
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In 7A ist ein Träger dargestellt, der aus seinerseits
zwei Trägerstrukturen 14, 15 besteht,
die über
Seitenversteifung 6, 6' aus konventionellem Material hergestellt
sind. Die Geometrie bzw. das Profil der konventionellen Seitenversteifung 6 kann
wie auf der rechten Seite von 7A dargestellt,
verschiedenste Formen annehmen und durch gängige Um- oder Urformverfahren entsprechend der
Anforderung an das Verhalten des Trägers ausgewählt werden. Es kann sich also
sowohl um ein offenes wie um ein geschlossenes Profil handeln. Die
Verbindung zwischen den Sandwich-Elementen 14, 15 und
den Seitenversteifungen 6 erfolgt beispielsweise über Schweiß-, Löt- oder
Hybrid-Fügeverfahren
oder auch mechanisch (Schrauben, Nieten etc.) oder klebtechnisch.
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7B zeigt eine derartige Sandwich-Struktur,
bei der ein Metallschaum 2' zwischen
zwei konventionellen Metallagen 1, 1' eingeschlossen
ist.
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7C zeigt den Fall, bei dem eine Sandwich-Struktur aus 7B an ihren Rändern flachgedrückt oder
gewalzt ist und dort einen Flansch ausbildet, der zur Befestigung
an anderen Elementen geeignet ist.
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7D zeigt die Struktur aus 7C,
wobei der Randbereich 8, 8'' umgestellt
wurde und paarweise zwei derartige Trägerstrukturen an ihren Randbereichen 8, 8'' und 8', 8''' über Fügeverbindungen 9, 9' zu einem Hohlprofil
verbunden sind.
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Es
lassen sich nicht nur zwei derartige Sandwich-Strukturen zu einer Trägerstruktur
verbinden, sondern es kann auch eine größere Anzahl von Sandwich-Strukturen,
beispielsweise drei Sandwich-Strukturen zu einem Profil mit annähernd dreieckigem
Querschnitt, miteinander verbunden werden.
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8 zeigt
das Vormaterial für
die Herstellung von Aufprallträgern,
die sowohl mehrschichtige sandwichartige Bereiche als auch Bereiche
aufweisen, die komplett aus konventionellem Material bestehen. Die
Bereiche A sind dabei Bereiche, die komplett aus konventionellem
Material bestehen, und der Bereich B ist ein Bereich mit Sandwich-Struktur.
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In
diesem Beispiel ist das dargestellte Vormaterial so hergestellt
und zugeschnitten, daß nicht über die
gesamte Länge
bzw. Breite des Trägers
eine Plattierung mit aufschäumbarem
Material erfolgt. So sind hier beispielsweise die Endbereiche A
der Trägerschicht,
die überdies
als Anbindungspunkte dienen, von aufschäumbarem Material freigehalten. Hierzu
werden die Halbzeugschnitte für
die Träger quer
zur Walzrichtung aus einem nur über
einen beschränkten
Breitenbereich mit aufschäumbarem
Material walzplattiertem Blech herausgetrennt.
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In
entsprechender Weise können
die Randbereiche des Trägers
von aufschäumbarem
Material freigehalten werden, wobei dann die Zuschnitte parallel
zur Walzrichtung aus einem derartigen Vormaterial herausgetrennt
werden.
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Die
erfindungsgemäßen Trägerstrukturen können dadurch
vorteilhaft weitergebildet werden, daß sie zusätzlich durch einen Faserverbundwerkstoff
verstärkt
werden. Dabei sind verschiedenste Ausführungsvarianten denkbar, wie
in 9A bis 9D dargestellt.
Beispielsweise kann der Faserverbundwerkstoff die Trägerschicht
auf der Zugseite bezüglich
einer angenommenen Biegebelastung unterstützen (Gurtfunktion), wie es
in 9D dargestellt ist, wo ein Faserverbundwerkstoff 13 als
Schicht auf der den Aufprall abgewandten Seite des Trägers aufgebracht
ist und das Profil als Gurt verstärkt. Der Faserverbundwerkstoff
kann also den Träger
teilweise (Gurt und Versteifungsfunktion) oder auch vollständig umschließen (Versteifungsfunktion).
Als Faserverbundwerkstoffe kommen dabei neben kurzfaserverstärkten Materialien
auch langfaserverstärkte
Werkstoffe (insbesondere textile Strukturen wie Vliese, nicht maschenbildende
Systeme wie Gewebe, Gelege oder Geflechte sowie maschenbildende
Systeme wie Gewirke oder Gestricke in flächenhaften oder dreidimensionaler
Ausprägung)
in Betracht. Insbesondere durch die Verwendung eines Materials der letzteren
Typen, kann eine Faserstruktur gewählt werden, die ihrerseits
in der Lage ist, die Verformungscharakteristik des Trägers in
kontrollierter Weise zu beeinflussen. Dies kann beispielsweise erreicht
werden durch die Verwendung eines Gewebes, Geflechts oder Gestricks,
in das zusätzlich
Abreißfäden eingearbeitet
sind, die unter Zugbelastung zunächst
für einen
Spitzenwert im Spannungs-Dehnungsverlauf sorgen und anschließend abreißen. Dadurch
hängt die
Ausprägung
des Spannungs-Dehnungs-Diagramms
nunmehr auch von der Art des Geflechts, Gewebes bzw. Gestricks,
seiner Interaktion mit seiner Unterlage, beispielsweise der Trägerschicht 1 bzw.
dem Metallschaum 2' sowie
von der Unterlage und der Matrix selbst ab.
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10 zeigt
in den Teilbildern A bis C eine weitere erfindungsgemäße Trägerstruktur,
die aus einem äußeren Hohlprofil 1' und einem inneren
Hohlprofil 1 besteht, die beide ineinander axial zueinander angeord net
sind. Das innere Hohlprofil 1 besitzt folglich einen geringeren
Durchmesser als das äußere Hohlprofil 1'. Auf der Außenseite
des inneren Hohlprofils 1 ist ein Metallschaum-Vormaterial 2 aufgebracht,
wobei eine metallurgische Verbindung zwischen dem inneren Hohlprofil 1 und
dem Metallschaum-Vormaterial 2 vorhanden ist. 10A zeigt den Zustand dieses erfindungsgemäßen Trägers vor dem
Aufschäumen
des Metallschaum-Vormaterials 2. An den jeweiligen Enden
des äußeren Hohlprofils 1' sind eingekerbte
Bereiche 20, 20' angebracht. Weiterhin
besitzt das äußere Hohlprofil 1' einen Bereich 21,
in dem der Querschnitt durch Eindrücken verringert ist. In diesem
Bereich ist das äußere Hohlprofil
in Längsrichtung
lediglich über
einen bestimmten Abstand eingedrückt
und schneidet quer zu der axialen Richtung des äußeren Hohlprofils 1' einen Kreisabschnitt
aus dessen Innenvolumen aus. Der eingedrückte Bereich 21 kann
als "Eindrückung", z.B. im Rahmen
einer IHU-Umformung des äußeren Profils,
erzeugt werden und verursacht damit keinen zusätzlichen Arbeitsschritt.
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10B zeigt denselben erfindungsgemäßen Träger nach
dem Aufschäumen
des Metallschaum-Vormaterials 2 zu einem Metallschaum 2'. Die Geometrie
des äußeren Hohlprofils 1' in den Bereichen 20, 20' verhindert
nun eine Längsverschiebung
des Metallschaums 2' und
des mit diesem metallurgisch fest verbundenen inneren Hohlprofils 1. Der
eingedrückte
Bereich 21 verhindert nun wiederum, daß das innere Hohlprofil und
der mit ihm verbundene Metallschaum 2' sich um die Längsachse der beiden Hohlprofile 1, 1' drehen können. 10C zeigt einen Schnitt längs der
Linie A-A in 10B. Gut zu erkennen
ist die Verdrehsicherung durch die den eingedrückten Bereich 21 in
dem Innenraum des äußeren Hohlprofils 1'.
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11 zeigt
einen weiteren erfindungsgemäßen Träger mit
einem inneren Hohlprofil 1 und einem äußeren Hohlprofil 1', die in gleicher
Weise wie in 10 angeordnet sind. In diesem
Falle ist die Längsverrutschsicherung
der Bereiche 20, 20' an dem
inneren Hohlprofil 1 angeordnet. Die Metallschaum-Vormaterial-Lage 2 ist
hier metallurgisch an das äußere Hohlprofil 1' angebunden.
In 11A ist der Zustand vor dem Aufschäumen des
Metallschaum-Vormaterials 2 dargestellt, während in 11B derselbe Träger nach Aufschäumen des Metallschaum-Vormaterials 2 zu
Metallschaum 2' dargestellt
ist. Der Hohlraum 3 zwischen innerem Hohlprofil 1 und äußerem Hohlprofil 1' ist nun vollständig mit
Metallschaum 2' gefüllt.
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12 zeigt
einen weiteren erfindungsgemäßen Träger, bei
dem ebenfalls ein inneres Hohlprofil 1 und ein äußeres Hohlprofil 1' mit unterschiedlichen
Durchmessern konzentrisch ineinander gesteckt sind. Auf den einander
zugewandten Oberflächen
des inneren Hohlprofils 1 (dessen Außenseite) und des äußeren Hohlprofils 1' (dessen innere
Oberfläche)
sind jeweils Metallschaum-Vormaterial-Lagen 2a, 2b metallurgisch
an die jeweiligen Hohlprofile 1, 1' angebunden. Es genügt auch,
wenn nur eine der Metallschaum-Vormaterial-Lagen 2a oder 2b metallurgisch
an die jeweilige Hohlprofillage 1 oder 1' angebunden
ist. Trägerstrukturen
des in 10, 11 und 12 gezeigten
Typs können
auch aus exzentrisch ineinander liegenden Profilen aufgebaut sein.
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12A zeigt wiederum den Zustand vor dem
Aufschäumen
und 12B den Zustand nach dem Aufschäumen der
Metallschaum-Vorlagen 2a und 2b zu Metallschäumen 2a' und 2b'. Durch ineinanderlaufen
der Schäumfronten dieser
beiden Metallschaumlagen während
des Aufschäumvorganges wird
ebenfalls ohne eine weitere zusätzliche
verbindungstechnische Maßnahme
eine Verschiebung oder Verdrehung der Profile gegeneinander verhindert.
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13 zeigt
in den Teilbildern A-D die Herstellung erfindungsgemäßer Trägerstrukturen
auf Basis von tailored tubes (aus unterschiedlichen Materialien
zusammengefügte
Rohrabschnitte). Hierzu werden wie in 13 dargestellt,
einzelne Rohre hergestellt und zugeschnitten. Dabei können Rohre 1 verwendet
werden, die lediglich aus einem einfachen Rohr bestehen oder auch
Rohre 1',
die aus Rohrabschnitten um einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff,
der aus mindestens einer Schicht Metallschaum-Vormaterial 2 und
mindestens einer Schicht eines metallischen Trägermaterials 1' besteht.
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Nach
dem Zuschneiden der Rohrabschnitte werden die einzelnen Rohrabschnitte
wie in 13B dargestellt, zusammengefügt, wobei
mindestens einer der Rohrabschnitte 1a, 1b und 1c mit
mindestens einer Schicht aus Metallschaum-Vormaterial versehen ist.
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Auf
diese Weise wird ein Rohr 1 hergestellt, das ein wie in 13C dargestellten äußeren Querschnitt aufweist. 13D zeigt die Querschnitte dieses Rohres 1 aus 13C in den mit A, B, C, D bzw. E in 13C bezeichneten Schnittlinien.
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Wie
zu erkennen ist, gibt sich im Bereich des Schnittes A ein rechteckiger
Querschnitt 1 mit abgerundeten Ecken, der vollständig mit
Metallschaum 2' gefüllt ist.
Im Schnitt D ist der Träger
zu einem ovalen Querschnitt verformt, der sich dann im Schnitt C
zu einem kleineren ovalen Querschnitt verengt. Im Schnitt D wird
der ovale Querschnitt weiter verkleinert, wobei hier der Hohlraum 3 des
Rohres 1 nicht durch Metallschaum ausgefüllt ist.
Im Schnitt E geht dann der Querschnitt des Rohres zu einem kreisförmigen Querschnitt über, wobei
auch hier im Hohlraum 3 des Rohres 1 kein Metallschaum
zu finden ist. Dies ist natürlich
nur ein Beispiel, das zeigen soll, daß eine Variation des Querschnitts über die
Länge möglich ist.
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Auf
diese Weise ist es nun also möglich,
beliebige Rohrgeometrien sowohl bezüglich des metallischen Hohlprofiles
als auch bezüglich
der Ausschäumung
mit Metallschaum zu erhalten.