DE102004043144B4

DE102004043144B4 - Zweischichtiges, ebenes Bauelement

Info

Publication number: DE102004043144B4
Application number: DE102004043144A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Obrecht Hans
Original assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: DE102004043144A1

Abstract

Ebenes Bauelement (BE), bestehend aus zwei Schichten, wobei die erste Schicht (1, 5) wenigstens einseitig eine Struktur wie eine Prägung oder eine Ausnehmung aufweist, wobei die zweite Schicht zur Erhöhung der gewichtsspezifischen Tragfähigkeit des ebenen Bauelementes (BE) einseitig aus einem Material (6, 6a, 6b) besteht, dessen Dichte und/oder Elastizitätsmodul geringer ist, als bei dem Material der ersten Schicht (1, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul/die Dichte des Schichtmaterials (6, 6a, 6b) ein Zehntel bis ein Tausendstel des Elastizitätsmoduls/der Dichte des Materials der ersten Schicht (1, 5) beträgt und die erste Schicht (1, 5) zumindest bereichsweise auxetisch perforiert oder auxetisch strukturiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein zweischichtiges ebenes Bauelement mit einer ersten Schicht, die wenigstens einseitig eine Struktur wie eine Prägung oder eine Ausnehmung aufweist, und einer zweiten Schicht zur Erhöhung der gewichtsspezifischen Tragfähigkeit des ebenen Bauelementes, die aus einem Material besteht, dessen Dichte und/oder Elastizitätsmodul geringer ist, als bei dem Material der ersten Schicht.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch Bauelemente, die aus umgeformten Flächen gebildet sind, wie z. B. Hohlformen mit zu beliebigen Querschnittsformen aufgewickelte Flächen.
Bekannt sind im Stand der Technik Bestrebungen, die spezifische Tragfähigkeit von Bauelementen zu vergrößern, d. h. die Tragfähigkeit pro Gewichtseinheit. Dies erfolgt im Wesentlichen mit dem Ziel, Bauelemente zu schaffen, die bei gleichbleibender und/oder verbesserter Tragfähigkeit leichter sind als übliche Bauelemente.
Die Entwicklung geht hierbei dahin, statt üblicher planer Bauelemente bzw. unstrukturierter Bleche (ohne dies auf das Material des Metalls durch die Wortwahl zu beschränken) strukturierte flächige Bauelemente einzusetzen, wobei bereits bekannt ist, dass ein strukturiertes flächiges Bauelement bei gleichem Gewicht gegenüber einem unstrukturierten Bauelement (z. B. ebenes Blech) eine höhere Tragfähigkeit aufweist.
Hierbei zeigte sich, dass die Steifigkeit mit der dritten Potenz der Höhe/Dicke einer Fläche eines solchen flächigen Bauelementes skaliert. Somit können lediglich durch Masseumverteilungen in Bauelementen in Bereiche hoher und geringerer Dicke/Höhe verbesserte Steifigkeiten und damit verbesserte Tragfähigkeiten pro Gewichtseinheit erreicht werden.
Derartige flächige Bauelemente können z. B. einseitig oder auch zweiseitig Strukturen, z. B. Einprägungen, Anformungen oder Ausnehmungen aufweisen. Z. B. können die Flächen solcher flächiger Bauelemente als offene oder geschlossene Gitter ausgebildet sein, bei denen sich die Masse im Wesentlichen nur noch auf die gegenüber flachen Blechen gleichen Gewichts höheren Gitterstege verteilt.
Bei theoretischen Berechnungen von Bauelementen mit z. B. unstrukturierten Flächen, insbesondere in einer zu einem Hohlprofil gewickelten Form wurde festgestellt, dass die theoretische Tragfähigkeitsgrenze bzw. Lastgrenze von einem praktisch eingesetzten Bauelemente bei weitem nicht erreicht wird.
Der Übergang von einem laststabilen Verhalten eines perfekten Bauelementes in ein anderes Verhalten, insbesondere ein lastinstabiles Verhalten wird als Bifurkation bezeichnet. Die theoretische Bifurkationsgrenze von perfekten Bauelementen mit einer strukturierten Fläche konnte durch die Strukturierung (z. B. als Gitter) gegenüber der theoretischen Bifurkationsgrenze eines perfekten Bauelementes mit unstrukturierter Fläche deutlich angehoben werden, beispielsweise bis zu einem Faktor von 20, jedoch zeigt sich auch hier, dass die theoretische Bifurkationsgrenze in der Praxis nicht erreichbar ist.
Diese Unerreichbarkeit der theoretischen Bifurkationsgrenze ist erklärbar mit einer Imperfektionsempfindlichkeit der Bauelemente, bzw. der Flächen. Imperfektionen, die zu einer Absenkung der theoretischen Bifurkationsgrenze bis auf eine praktisch erreichbare Grenze führen, können sich durch Fehler im Materialgefüge, bei der Formgestaltung der Flächen bzw. der Bauelemente etc. ergeben.
Weitere Bemühungen, die Tragfähigkeit einer gegebenen Bauelementeart zu erhöhen und damit die praktisch erreichbare Bifurkationsgrenze in die Richtung der theoretischen Bifurkationsgrenze anzuheben, sind bislang darauf beschränkt gewesen, die Materialqualität und die Herstellungsverfahren immer weiter zu verbessern.
Zum Stand der Technik sind die Druckschriften DE 196 35 734 A1 , WO 2004/1 04 315 A1 , DE 101 40 332 C1 sowie ALDERSON, A.: A triumph of lateral thought, Chemistry & Industry, 1999, S. 384–390 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einfache kostengünstige Bauelemente zur Verfügung zu stellen, mit denen gegenüber herkömmlichen struktur-verstärkten Bauelementen eine signifikante Steigerung der spezifischen Tragfähigkeit erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es zeigt sich, dass durch die Beschichtung eines „starken” Materials mit einem „schwachen” Material in weiten Bereichen die gesamte spezifische Tragfähigkeit des so gebildeten Verbunds signifikant gesteigert werden kann.
Dies resultiert zum einen aus einer Steigerung der theoretischen Bifurkationsgrenze des als perfekt angenommenen erfinderischen Bauelementes als auch insbesondere in einer durch die Erfindung in der Praxis erreichte ganz wesentliche Verringerung der Imperfektionsempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Bauelemente, so dass in der Praxis die tatsächliche Tragfähigkeitsgrenze, bzw. Beulgrenze, weiter in die Richtung der theoretischen Bifurkationsgrenze verschiebbar ist.
Hierbei wird für die zweite Schicht ein Material gewählt, dessen Elastizitätsmodul und/oder Dichte wesentlich geringer ist, als der Elastizitätsmodul/die Dichte des Materials der zu beschichtenden Fläche. Schon Materialien mit einem wesentlich geringeren E-Modul bzw. Dichte führen zu einer signifikanten Erhöhung der spezifischen Tragfähigkeit, ohne dass diese Materialien nennenswert aufgrund ihrer geringen Dichte zum Gewicht beitragen.
Hierzu werden Materialien gewählt, deren Elastizitätsmodul bzw. deren Dichte ein Zehntel bis ein Tausendstel (oder sogar weniger) derselben Größen des Materials der Fläche beträgt. Z. B. können für die erste Schicht Metalle und und für die zweite Schicht Kunststoffe verwendet werden.
Der Verlauf der Imperfektionssensitivität für ein zylindrisches Profil des Radius R und der Wandstärke 0,01 R, auf dessen Innenseite ein Schichtmaterial in einer Dicke von 0,1 R mit einem E-Modul, der 1% des E-Moduls des zylindrischen Profils beträgt, aufgebracht ist, gegenüber einem zylindrischen Profil ohne Schichtmaterial geringeren E-Moduls zeigt überraschenderweise, dass die Imperfektionssensitivität des zylindrischen Profils mit dem „leichten” Schichtmaterial um den Faktor 2.5 substantiell geringer ist als die Imperfektionssensitivität des gleichen Bauteils ohne Schichtmaterial.
Eine mögliche Materialkombination gemäß dem oben aufgeführten Beispiel könnte z. B. Stahl (ca. 200.000 MPa) als Werkstoff für die erste Schicht des zylindrischen Profils und Polyurethan Integral-Hart-Schaum 85 K (ca. 2.000 MPa) als Material für die zweite Schicht sein. Eine weitere Ausführungsform ist Aluminium 2024-T6(3.1355) (ca. 72.000 MPa) als Werkstoff für das zylindrische Profil und hochmolekulares Polyethylen (PE-HMW) (ca. 750 MPa) für das Schichtmaterial.
Sofern die Strukturen der ersten Schicht ein- bzw. beidseitig auch Ausnehmungen aufweisen, können diese Ausnehmungen dementsprechend durch die Schichtmaterialien gefüllt sein. Im Grenzfall können die Ausnehmungen Perforationen des Flächenmaterials bilden, so dass das Schichtmaterial die Perforationen durchsetzen kann.
Bei besonders großen Perforationen bildet die zweite Schicht ein offenes bzw. offenzelliges Gitter.
Jegliche Strukturen, mit denen eine erfindungsgemäß zu beschichtende erste Schicht eines Bauelementes versehen ist, sind im Rahmen der Erfindung geeignet. Wesentlich ist lediglich, dass eine solche Struktur schon gegenüber einer unstrukturierten ersten Schicht eine Erhöhung der spezifischen Tragfähigkeit ergibt, so dass sich erfindungsgemäß eine Kumulation beider verstärkenden Effekte, d. h. durch Strukturierung und Beschichtung ergeben kann.
Besonders bevorzugt sind Strukturen, die ein- oder zweidimensional in die erste Schicht ein- bzw. aufgebracht sind. Eindimensional bedeutet hierbei, dass eine Struktur nur in einer Richtung, insbesondere periodisch ausgebildet ist, wobei zweidimensional eine in zwei Richtungen insbesondere periodische ausgebildete Struktur bedeutet. Bei letzterer Ausbildung müssen die beiden Richtungen nicht notwendig senkrecht zueinander sein, dies wird jedoch bevorzugt der Fall sein.
Eine Struktur kann in besonders bevorzugter Weise durch Prägungen der ersten Schicht erzeugt werden, wobei die Prägungen in Richtung einer oder beider Seiten der zu beschichtenden Fläche gerichtet sein können. Die Querschnitte der Prägungen (senkrecht und/oder parallel zur ersten Schicht) können beliebig, z. B. eckig oder rund sein. Besonders bevorzugt sind sogenannte Waffelprägungen.
Ebenso kann es zur Strukturierung vorgesehen sein, dass auf eine oberflächenglatte Fläche sogenannte Steifen aufgebracht werden, z. B. durch jedwede Art der Befestigung, wie Verkleben, Verschweißen oder einstückige Ausbildung. Derartige Steifen können durch jegliche Profile mit beliebigen Querschnitten ausgebildet werden.
Ebenso können Ausnehmungen oder gar Ausschnitte und damit Perforierungen zu einer insbesondere periodischen Strukturierung der zu beschichtenden Fläche genutzt werden.
Die derart erfindungsgemäß gebildeten Bauelemente können ihrerseits eben oder beliebig gekrümmt ausgebildet sein, z. B. eindimensional oder auch zweidimensional gekrümmt sein, so dass im letztgenannten Fall eine einseitig offene Hohlform, z. B. eine Schalenform mit beliebigem Querschnitt, also z. B. rund oder eckig, gebildet werden kann. Die Formgebung des erfindungsgemäßen Bauelementes entspricht bevorzugt der Formgebung der eingesetzten Flächen, wenn die aufgebrachte Materialschicht im Wesentlichen gleichförmig, also z. B. überall mit gleicher Dicke aufgetragen ist.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann ebenso zu einem geschlossenen Wickel geformt werden, z. B. wenn die zu beschichtende Fläche eine entsprechende Krümmung aufweist, so dass sich ein Hohlprofil mit beliebigem Querschnitt, z. B. rund oder eckig ausbildet. Bei einem derartigen Hohlprofil wird dementsprechend eine Innenseite oder eine Außenseite erfindungsgemäß beschichtet sein, ggf. mit unterschiedlichen Materialien.
Bei der Ausbildung eines erfindungsgemäßen Bauelementes als Hohlprofil wird bevorzugt die Dicke der aufgebrachten Materialschicht optimiert, so dass bei minimalem Massezuwachs eine maximale Erhöhung der Tragfähigkeit erreicht wird und so die spezifische Tragfähigkeit optimiert ist, oder zumindest nahe am theoretischen Optimum liegt.
Bevorzugt wird hierzu eine Schicht derart ausgebildet, dass diese Schicht auf der Innenseite oder der Außenseite eine Dicke, bzw. Höhe über der zu beschichtenden Materialfläche hat, die 1 bis 40 Prozent, bevorzugt 5 bis 20% und besonders bevorzugt 8 bis 12 Prozent eines Querschnittsmaßes des Hohlprofils aufweist.
Bezogen auf einen runden Querschnitt des Hohlprofils weist somit die Schichtstärke 1 bis 40% oder bevorzugt 5 bis 20% oder besonders bevorzugt 8 bis 12 Prozent des Profilradius auf. Das Hohlprofil weist somit mit der erfindungsgemäßen Beschichtung auf der Innenseite weiterhin einen hohlen Kernbereich auf.
Bezogen auf andere Querschnittsformen gelten die genannten Ausdehnungen mit Bezug auf die dann gegebenen Ausdehnungen des Hohlprofils in einer Querrichtung, insbesondere in Bezug auf das maximale oder minimale Maß in einer Querrichtung, d. h. quer zur Längsrichtung des Hohlprofils.
In der besonders bevorzugten Weiterbildung eines als Hohlprofil ausgebildeten erfindungsgemäßen Bauelementes, aber auch in Bezug auf alle anderen im Rahmen der Erfindung genannten Ausführungen kann es vorgesehen sein, dass das Material der zweiten Schicht auxetische Eigenschaften aufweist.
Unter einer auxetischen Eigenschaft wird verstanden, dass das betreffende Material bzw. ein Bauelement unter einer Zugbeanspruchung sich in Zugrichtung streckt und senkrecht dazu eine Verdickung erfährt. Bei einer Stauchung wird eine Verkürzung und senkrecht dazu eine Verjüngung erreicht.
Eine zu beschichtende erste Schicht ist als auxetisch wirkendes Element ausgebildet, insbesondere als auxetisches Gitter. Auxetische Wirkungen und wie diese durch bestimmte Zellenformen erreicht werden, sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
Das Schichtmaterial der zweiten Schicht kann z. B. als ein auxetisch wirkender Schaum und/oder dreidimensionales Gitter ausgebildet sein. Die auxetischen Eigenschaften erhöhen in Verbindung mit den vorgenannten Ausführungen der Erfindung nochmals die Tragfähigkeit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a–c: eine zu beschichtende erste Schicht mit nicht dargestellter Struktur;
2a, b: verschiedene Strukturierungen als Prägung;
3: eine Strukturierung durch Steifen;
4: eine Strukturierung als Waffelprägung;
5: eine Strukturierung durch beidseitige, zueinander versetzte Prägungen;
6: ein Bauelement mit oberer und unterer Schicht eines Materials mit geringeren E-Modul/Dichte und jeweiliger Aussenschicht, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
7: eine zweischichtige Ausführung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist.
8: eine dreischichtige Ausführung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist.
9: ein Bauelement als Hohlprofil mit innenliegender zweiter Schicht;
10: ein Bauelement als Hohlprofil mit aussenliegender zweiter Schicht;
11: ein Bauelement als Hohlprofil mit beidseitiger Schicht, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
12: ein Bauelement als Hohlprofil mit gitterförmiger Fläche und innenliegender zweiter Schicht;
13: ein Bauelement als Hohlprofil mit gitterförmiger Fläche und aussenliegender zweiter Schicht;
14: ein Bauelement als Hohlprofil mit gitterförmiger Fläche und beidseitiger Schicht, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
Die 1a–c zeigen je eine ebene, einfach gekrümmte und zweifach gekrümmte erste Schicht 1, z. B. aus einem Metall. Nicht dargestellt ist eine vorhandene Strukturierung. Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, die erste Schicht 1 einseitig oder mit einem Material zu beschichten, welches ein geringeres E-Modul bzw. Dichte aufweist als das Material der ersten Schicht 1. Das so gebildete Bauelement hat bei einer gleichmäßigen Beschichtung im wesentlichen die dargestellte Form.
Die ersten Schichten 1 weisen je eine Länge L und Breite B auf, wobei bei einer Krümmung entsprechende Krümmungsradien gegeben sein können. Ein Krümmungsradius R ist in der 1b dargestellt. In der 1c sind zwei Krümmungsradien gegeben.
Die 2a und 2b zeigen verschiedene Ausführungen einer Strukturierung der ersten Schicht 1, z. B. als Sicken mit verschiedenen Querschnitten, wie eckig oder rund. Hier sind grundsätzlich beliebige Formgestaltungen möglich. Ebenfalls nicht dargestellt ist die jeweilige Beschichtung, die derart ausgeführt sein kann, dass mit einer dünnen Schicht die Form der Fläche 1 nachgebildet wird oder aber dass mit einer dicken Schicht sich eine ebene Oberfläche ergibt, da das Material die Zwischenräume in den jeweiligen Strukturen ausfüllt.
Gemäß der 3 kann es vorgesehen sein, auf einer ebenen Fläche 1 sogenannte Steifen 2 aufzubringen bzw. zu befestigen. Diese Steifen 2 können beliebige Querschnitte aufweisen und z. B. als jeweiliges Profil ausgebildet sein, welches an ein oder beiden Oberflächen der Fläche 1 befestigt wird, z. B. durch Schweißen, Kleben etc. Die Steifen 2 können von Schichtmaterial umgeben sein, so dass sich eine geschlossene ebene Oberfläche der Schicht ergibt. In der Figur sind auf derselben verschiedene Steifen 2 dargestellt. Üblicherweise ist es vorgesehen, auf einer Fläche 1 nur eine Art von Steifen 2 einzusetzen.
Die 4 zeigt eine zweidimensionale Waffelprägung, wobei diese Prägung in zwei Dimensionen, d. h. hier zwei zueinander senkrechten Richtungen (1)-(1) bzw. (2)-(2) periodisch ist. Auch sind die jeweiligen Querschnitte in diesen Richtungen dargestellt.
Die 5 zeigt Ausprägungen 3 bzw. Einprägungen 4 zu beiden Seiten einer Fläche 1, wobei die Prägungen um eine halbe Periodizität zueinander versetzt angeordnet sind, so dass in einer Richtung, z. B. (1)-(1) auf eine Einprägung 3 eine Ausprägung 4 folgt.
Die 9 zeigt als bevorzugte Ausführung eine erste Schicht 5, die zu einem Hohlprofil mit rundem Querschnitt geformt ist, wobei die erste Schicht 5 des Hohlprofiles eine Strukturierung mit auxetischer Wirkung aufweist. Es kann sich z. B. um einen klassischen strukturierten Zylinder oder ein strukturiertes Rohr handeln. Die Dicke des Hohlprofil-Materials der ersten Schicht 5 ist hier im Vergleich zum Querschnitt sehr gering und beispielsweise 10 bis 3000-fach, bevorzugt 10 bis 100-fach geringer als der Radius R1.
Der runde Querschnitt in dieser und der folgenden Figuren ist repräsentativ zu verstehen, hier sind grundsätzlich alle Querschnitte möglich. Ebenso ist es möglich, derartige Hohlprofile zu Bündeln zusammenzufassen.
Das Hohlprofil 5 selbst weist einen Radius R1 auf und umschließt einen Hohlraum H, der sich längs des Profils 5 um die Längsachse A erstreckt.
Im inneren Bereich H des Hohlprofils 5 ist auf der inneren Oberfläche eine zweite Schicht 6 angeordnet, die sich nach innen erstreckt, aber den Hohlraum H bevorzugt nicht vollständig, sondern nur bis zum Radius R2 ausfüllt. Diese Schicht kann z. B. auch durch einen Schaum gebildet sein, der auxetische Zellen aufweist, wobei die Dichte des Materials, aus dem der Schaum besteht, geringer ist, als die des Profilmaterials. Dies gilt ebenso für die später angegebenen Ausführungen.
Besonders gute Lastabtragungseigenschaften werden bezogen auf das Gewicht der Konstruktion erzielt, wenn (R1-R2)/R1 <= 0,15 oder bevorzugt <= 0,1 ist.
10 zeigt vergleichbar mit 9 eine zweite Schicht 6, die auf der äußeren Oberfläche des Hohlprofiles 5 angeordnet ist. Hier gilt bevorzugt (R2-R1)/R2 <= 0,15, besonders bevorzugt <= 0,1.
12 zeigt eine Ausführung, bei der die Oberfläche der als Hohlprofil ausgebildeten ersten Schicht 5 selbst eine Perforierung aufweist, z. B. als Gitter ausgebildet ist und eine auxetische Wirkung zeigt, wobei auch hier wieder die
Dicke des aus der ersten Schicht 5 bestehenden Hohlprofils sehr gering ist. Beispielsweise kann die auxetische Wirkung durch Ausnehmungen hervorgerufen sein, die in die Oberfläche des Hohlprofils eingebracht sind.
Hier wird schon eine Verbesserung der Lastabtragung erreicht, wenn die zweite Schicht 6 auf der Innenseite keine auxetische Wirkung zeigt. Hier kann z. B. ein üblicher Schaum verwendet werden. Besonders bevorzugt ist das Material der zweiten Schicht 6 wie in den vorgenannten Ausführungen jedoch ebenso auxetisch und bevorzugt mit den genannten Dimensionen.
13 zeigt die äquivalente Anordnung einer nicht-auxetischen oder auxetischen Struktur 6 (z. B. eines Schaums) auf der äußeren auxetischen Oberfläche des Hohlprofils 5 gemäß 12.

Claims

Ebenes Bauelement (BE), bestehend aus zwei Schichten, wobei die erste Schicht (1, 5) wenigstens einseitig eine Struktur wie eine Prägung oder eine Ausnehmung aufweist, wobei die zweite Schicht zur Erhöhung der gewichtsspezifischen Tragfähigkeit des ebenen Bauelementes (BE) einseitig aus einem Material (6, 6a, 6b) besteht, dessen Dichte und/oder Elastizitätsmodul geringer ist, als bei dem Material der ersten Schicht (1, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul/die Dichte des Schichtmaterials (6, 6a, 6b) ein Zehntel bis ein Tausendstel des Elastizitätsmoduls/der Dichte des Materials der ersten Schicht (1, 5) beträgt und die erste Schicht (1, 5) zumindest bereichsweise auxetisch perforiert oder auxetisch strukturiert ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1, 5) als offenes und/oder geschlossenes Gitter ausgestaltet ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1, 5) ein- oder mehrfach gekrümmt ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (6, 6a, 6b) eine auxetische Wirkung hat.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (BE) zu einem Hohlprofil geformt ist.
Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Schicht (6, 6a, 6b) über 1 bis 40 Prozent, bevorzugt 5 bis 20 Prozent und besonders bevorzugt 8 bis 12 Prozent des Querschnitts des aus der ersten Schicht (1, 5) gebildeten Hohlprofils erstreckt.