DE102004055123B4 - Leichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines solchen - Google Patents

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Abstract

Leichtbauelement bestehend aus einem Kern und zwei flächigen Elementen (2, 3), die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kerns angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern durch eine Vielzahl von senkrecht oder schräg zu den flächigen Elementen (2, 3) verlaufenden Teilen (4) gebildet ist, die durch Fasern und/oder Hohlfasern gebildet sind, wobei die Teile (4) eine im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den beiden flächigen Elementen (2, 3) maximal gleich große größte Abmessung in einer Ebene parallel zu einem der flächigen Elemente (2 oder 3) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leichtbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Bekannt sind Leichtbauelemente, die einen Kern bestehend aus einer Vielzahl miteinander verklebter Hohlfasern oder einem bienenwabenartigen Kern und beidseitig angebrachte Folien aufweisen.
  • Ferner sind Leichtbauelemente beispielsweise aus der Verpackungsindustrie bekannt, bei denen zwischen zwei Pappbahnen eine dritte wellenförmig angeordnete Pappbahn angeordnet ist.
  • Aus der DE 38 24 423 A1 ist eine Schichtpressstoffplatte mit einem Kern, der durch eine Schichtpressstoffplatte mit einer gleichmäßigen Folge von nebenander angeordneten Trapezprofilen gebildet ist, und mit an den oberen und unteren Trapezbasisflächen angeklebten Deckplatten bekannt. Ebenfalls ist die Verwendung einer Wabenkernplatte als Kern offenbart, die vorgefertigt und durch eine Vielzahl direkt miteinander verbundener, wellenförmiger Streifen gebildet ist.
  • Die DE 199 00 934 C2 offenbart die Verwendung einer durchgehenden Wabenstruktur-Platte als Kern zwischen Platten, wobei mindestens eine Platte als Glasplatte ausgebildet ist.
  • Derartige Elemente lassen noch Wünsche offen.
  • Aus der DE 39 12 615 A1 sind Verstärkungs- und/oder Prozessfasern auf der Basis von Pflanzenfasern bekannt, wobei man von Holzteilen befreite Pflanzenfasern mit einer wässrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung, ausgewählt unter Metalloxiden, -hydroxiden, -carbonaten, -sulfaten, -thiosulfaten, -sulfiten, -silikaten oder -phosphaten behandelt, wobei Alkali- oder Erdalkalioxide, -hydroxide, -carbonate, -thiosulfate oder -sulfate sowie basische Eisen-, Titan-, Antimon- oder Aluminiumsalze, insbesondere Alkali- oder Erdalkalihydroxide, Alkalimetallsilikate und Alkalithiosulfate, z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid, Natriumetasilikat und Natrumthiosulfat, bevorzugt werden. Anschließend werden die vorbehandelten Pflanzenfasern gewaschen und mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel behandelt oder die nichtgewaschenen Fasern mit einer Mineralsäure neutralisiert, oder man behandelt nicht-vorbehandelte Pflanzenfasern bei 250 bis 350°C unter kontrollierter Luftzufuhr, so dass eine Verkohlung der Fasern erfolgt. Als Bindemittel werden insbesondere Zement, Gips, Silikate, Alkali- oder Erdalkalisalze von Mineralsäuren, Bitumen, Asphalt, natürliche und synthetische Elastomere, Polyurethane, Phenolharze, Resole, Melaminharze, Eposyharze oder deren Gemische bevorzugt verwendet.
  • Die Anwendung der Bindemittel kann in wässrigem oder organischem Medium (Lösungsmittel) erfolgen, wobei die Bindemittelmenge vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% bezogen auf den Faseranteil beträgt. Die durch die Pyrolyse erhaltenen Fasern können mit einem Harz, natürlichem oder synthetischem Gummi oder einem Elastomer imprägniert werden. Als flammhemmende Zusätze sind beispielsweise Antimonoxid, Eisensulfat, Alaun, Wismutoxid, Harnstoffphosphat oder Chlorparaffin geeignet. Ferner können Konservierungsmittel zugesetzt werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Leichtbauelement zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leichtbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist ein Leichtbauelement bestehend aus einem Kern und zwei flächigen Elementen vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kerns angeordnet sind, wobei der Kern durch eine Vielzahl von senkrecht oder schräg zu den flächigen Elementen verlaufenden Teilen gebildet ist, und die Teile eine im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den beiden flächigen Elementen maximal gleich große größte Abmessung in einer Ebene parallel zu einem der flächigen Elemente aufweisen. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von Teilen, wobei es sich bevorzugt um Fasern oder Hohlfasern mit beliebigem Profil, insbesondere aber mit kreisförmigem Profil, vereinfacht sich das Formen der Leichtbauelemente, und zudem wird die Formenvielfalt erhöht. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von Teilen ist eine gezielte Anordnung derselben möglich, die bedarfsabhängig ist. Beispielsweise können die Teile so angeordnet sein, dass andere Bauteile oder Elemente zwischen den flächigen Elementen angeordnet werden können, wie Verstärkungselemente für eine Befestigung oder Sensoren zur Überwachung, oder aber auch in als Hohlfasern ausgebildete Teile integriert werden können. Der Hohlraum der Hohlfasern kann gefüllt sein, beispielsweise mit einem Fluid und/oder mit einem elektrischen Leiter. Zudem können mehrere, insbesondere durchgehende und beidseitig offene Hohlräume je Hohlfaser vorgesehen sein. Dabei sind die senkrecht oder schräg zu den flächigen Elementen verlaufenden Teile durch Fasern und/oder Hohlfasern gebildet. Die Hohlräume verringern das Gewicht und verbessern die Schwimmfähigkeit, auch im Falle einer Beschädigung einer oder beider flächigen Elemente. Die Teile sind vorzugsweise zumindest im Be reich eines der flächigen Elemente voneinander beabstandet, insbesondere aber nicht miteinander verklebt.
  • Die Teile sind bevorzugt mit mindestens einem Ende an einem flächigen Element angebracht. Dabei können die Teile auf den Sollabstand der flächigen Elemente abgelängt sein und im Wesentlichen senkrecht zu den flächigen Elementen angeordnet sein.
  • Die Teile sind, da deutlich schneller herstellbar, bevorzugt jedoch nicht abgelängt, sondern gebogen oder abgeknickt, wobei sie auf der äußeren Seite im gebogenen oder abgeknickten Bereich an einem flächigen Element angebracht sind. Auf diese Weise lässt sich das Leichtbauelement kontinuierlich herstellen, indem von einem Extruder kommende Fasern oder Hohlfasern direkt am ersten flächigen Element angebracht werden können. Sind alle Fasern oder Hohlfasern am ersten flächigen Element angebracht, so wird das zweite flächige Element an den Fasern oder Hohlfasern angebracht.
  • Die Oberflächen der Fasern, insbesondere der Hohlfasern, können strukturiert sein. Dabei kann sich beispielsweise die Wandstärke von Hohlfasern und/oder der Durchmesser über die Länge verändern. Bevorzugt sind versteifende Strukturen vorgesehen. An der Außenfläche von Fasern, insbesondere von Hohlfasern, kann eine wendelförmig verlaufende Verstärkung vorgesehen sein, welche nach der Herstellung der Faser angebracht, bevorzugt aber im Rahmen der Herstellung direkt durch eine entsprechende Ausgestaltung der Spinndüse ausgebildet werden kann, wodurch die Biegesteifigkeit eines Wendelrohres erreicht werden kann. Ebenfalls ist eine Strukturierung der flächigen Elemente möglich.
  • Zwischen den flächigen Elementen können weitere Elemente, wie insbesondere Verstärkungselemente angeordnet sein, welche beispielsweise zum Einschrauben von Schrauben dienen, so dass am Leichtbauelement andere Bauteile oder andere Leichtbauelemente befestigt werden können. Diese Verstärkungselemente haben bevorzugt annähernd die Form einer nahtlosen Tube. Ebenfalls ist die Anordnung von Belüftungselementen oder durchführenden Elementen, z.B. für eine Kabeldurchführung, möglich.
  • Als Materialien kommen Metalle, insbesondere Leichtmetalle, Kunststoffe, insbesondere Polyvinylalkohol, Keramik, Karbide, Nitride, insbesondere in grüner Form, Papier, insbesondere mit Kevlar beschichtet oder PEEK, und regenerative Naturprodukte, wie insbesondere Stroh, Schilfrohr oder andere Halme und/oder Furnierholz, insbesondere brandhemmend behandelt, in Frage.
  • Die Naturprodukte können beispielsweise mit Hilfe von Wasserglas und Titanoxid behandelt sein, damit sie nur schwer entflammbar sind. Ferner können vorbehandelte Naturprodukte nach dem Formen und Aufbringen des zweiten flächigen Elements mittels Druckpyrolyse behandelt werden. In Hinblick auf die Naturprodukte und deren Behandlung sei ausdrücklich auf die DE 39 12 615 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich mit einbezogen wird, wobei vorliegend bevorzugt eine Behandlung der Naturprodukte mittels Besprühens mit oder Tauchens in ein Solgel, z.B. aluminium-, silizium-, titan-, magnesium- oder berylliumbasisch, welches bereits das Bindemittel enthält, bevorzugt Polyvinylalkohol, erfolgt. Alternativ kann auch ein Nitrid, vorzugsweise als Siliziumnitrid oder Siliziumhydrid über die Silanphase, aufgetragen werden. Nach dieser Behandlung erfolgt das Formen des Leichtbauelements. Anschließend erfolgt eine Pyrolyse der behandelten und bevorzugt zur Endform geformten und zusammengefügten Naturprodukte unter Druck, wobei bevorzugt im Wesentlichen oder ausschließlich keramisches Material nach der Pyroly se verbleibt, z.B. auch Karbide, wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Alumosilikatoxide, Spinelle oder Titanate.
  • Ein derartiges Leichtbauelement kann – bei entsprechender Materialwahl und entsprechenden Abmessungen – nicht durch Radar erkannt werden, was insbesondere in Hinblick auf militärische Verwendungszwecke Vorteile bietet.
  • Durch die Verwendung von Hohlfasern hat das Leichtbauelement auch bei Verletzung eines oder beider flächiger Elemente und gegebenenfalls auch eines Teils der Hohlfasern in Folge der unbeschädigten Hohlräume noch eine gewisse, in der Regel ausreichende Schwimmfähigkeit. Somit ist ein derartiges Leichtbauelement bei entsprechender Materialwahl beispielsweise für den Rumpf von Booten geeignet. Ebenso kann es für Segelflieger oder andere Flugzeuge verwendet werden. Ferner kann ein derartiges Leichtbauelement als Hitzeschutzschild und/oder zum Schallschutz verwendet werden, wobei bei vergleichbarer Belastbarkeit das Kerngewicht gegenüber herkömmlichen Kernen in Form von Bienenwaben oder miteinander verklebten Hohlfasern mehr als halbiert werden kann.
    •
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, teilweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Einzelnen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2a-c Prinzipdarstellungen zur Verdeutlichung der Herstellungsschritte des Leichtbauelements von 1,
  • 3 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 5 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
  • 6 eine Draufsicht auf eine Hohlfaser in Richtung des Pfeiles VI in 5,
  • 7 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
  • 8 einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Leichtbauelement gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, und
  • 9 eine Schnittdarstellung eines Befestigungsbereichs eines Leichtbauelements.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Leichtbauelement 1 hergestellt aus Naturprodukten und bestehend aus zwei flächigen Elementen 2 und 3 und einer Vielzahl von dazwischen angeordneten, einzelnen Teilen 4, vorliegend relativ kurze im Wesentlichen zylinderförmige Hohlfasern vorgesehen, welche den Kern bilden. Hierbei ist in 1 nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt. Die Hohlfasern sind mit ihren Enden am entsprechenden flächigen Element 2 bzw. 3 angebracht. Dabei haben die Hohlfasern einen maximalen Außendurchmesser, der kleiner als der Abstand zwischen den beiden flächigen Elementen 2 und 3 ist.
  • Die Herstellung erfolgt folgendermaßen: Furnierholz, welches die flächigen Elemente 2 und 3 bilden soll, und auf die gewünschte Länge zugeschnittene Strohhalme, welche die Teile 4 bilden soll, werden mit Wasserglas, Polyvinylalkohol und Titanoxid besprüht. Die Strohhalme werden mit ihrem einen Ende an dem ersten flächigen Element 2 angebracht (2a), wobei Wasserglas und/oder Polyvinylalkohole als Klebstoff dient, anschließend wird das erste flächige Element 2 mit den hieran angebrachten Teilen 4 in die gewünschte Form gebracht (2b), vorliegend in die Form eines Hohlzylinders, wobei das flächige Element 2 den Innenzylinder bildet und die Teile 4 in radialer Richtung hiervon abstehen, und anschließend wird das zweite flächige Element 3 außen angebracht (2c). Nach einem kurzen Trocknen erfolgt die Pyrolyse unter Druck. Anstelle von Furnierholz kann beispielsweise auch Papier oder ein Geflecht o.ä. aus Naturprodukten verwendet werden. Anstelle von Strohalmen können auch andere faserartige Naturprodukte, beispielsweise auch Fasern mit einem Vollprofil, verwendet werden, wobei jedoch Hohlfasern bevorzugt werden.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Hohlfasern im ungeformten Zustand, das heißt bei ebener Anordnung des ersten flächigen Elements, nicht beabstandet voneinander, sondern miteinander in Linienkontakt dicht nebeneinander angeordnet, wobei sie im Gegensatz zu herkömmlichen Leichtbauelementen nicht miteinander verklebt sind. Soll das Leichtbauelement im fertigen Zustand die Form eines Hohlzylinders haben, so erfolgt nach dem einseitigen Anbringen der Hohlfasern am ersten flächigen Element ein Wickeln zum Hohlzylinder, wobei das erste flächige Element die Innenmantelfläche bildet, so werden die einzelnen in einer Ebene angeordneten Hohlfasern aufgefächert, im Falle des Hohlzy linders sind alle Hohlfasern in radialer Richtung verlaufend ausgerichtet, wohingegen die in Längsrichtung benachbarten Hohlfasern weiterhin in Linienkontakt sind. Nach dem die Endform eingenommen ist, wird das zweite flächige Element außen am anderen Ende der Hohlfasern angebracht.
  • Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Teile 4 als lange Hohlfasern ausgebildet, die in einzelnen Reihen in Zick-Zack-Form zwischen den beiden flächigen Elementen 2 und 3 angeordnet sind, wie in 4 dargestellt. Die Zick-Zack-Form hat den Vorteil, dass kein Ablängen auf die richtige Länge erforderlich ist, sondern die Länge durch einen Knick in der Hohlfaser bestimmt wird. Alternativ können auch Fasern mit einem Vollprofil verwendet werden. Die Herstellung der Hohlfasern oder Fasern kann insbesondere erfolgen, wie in der DE 102 01 785 C1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich mit einbezogen wird, wobei insbesondere die Behandlung nach dem Extrudieren und die Materialauswahl nicht auf die Hohlfasern/Fasern beschränkt ist, sondern entsprechend auch für die flächigen Elemente 2 und 3 gilt. Die Abmessungen sollen jedoch nicht durch die Angaben in der DE 102 01 785 C1 beschränkt sein, sondern es sind auch hydraulisch gleichwirkende Durchmesser von 0,5 mm und mehr möglich, jedoch muss hierbei eine ausreichende Verformbarkeit im Rahmen der Anbringung gewährleistet sein. Als Spinndüse für die Herstellung einer Hohlfaser kann beispielsweise eine Spinndüse verwendet werden, wie sie in der DE 199 24 286 B4 offenbart ist.
  • Hierbei werden die bevorzugt extrudierten Hohlfasern im grünen Zustand an dem ersten flächige Element 2, welches eine Folie im grünen Zustand ist, angebracht, das erste flächige Element 2 samt Teilen 4 werden anschließend verformt. Daraufhin wird das zweite flächige Element 3, welches ebenfalls eine Folie im grünen Zustand ist, angebracht, woraufhin gegebenenfalls ein weiterer Formungsvorgang erfolgt, um vorgegebene Maße genau einzuhalten. Gegebenenfalls ist ein leichtes Anlösen der Oberflächen, zumindest in den zu verbindenden Bereichen, erforderlich, damit ein Verkleben erfolgt. Anschließend, d.h. nach erfolgtem Formen, erfolgt ein Brennen, wonach das Leichtbauelement 1 relativ steif ist und bei Belastungen seine Form beibehält.
  • Entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht die Anordnung der Verbindungspunkte an einem, insbesondere dem ersten flächigen Element 2 nicht einem geraden Verlauf, wie beim dritten Ausführungsbeispiel, sondern der Verlauf ist projiziert auf die flächigen Elemente Z- oder sägezahnförmig. 6 zeigt einen Blick auf die Hohlfaser in Richtung des Pfeiles VI in 5.
  • Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind einzelne Zick-Zack-förmige Reihen von Hohlfasern, wobei die einzelnen Reihen entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind, zwischen den beiden flächigen Elementen 2 und 3 über Kreuz angeordnet.
  • Neben einer Anbringung in einem Knickpunkt ist auch eine Anbringung im Bereich einer Biegung, d.h. einer U-förmig gebogenen Hohlfaser, möglich, wobei, wie in 7 als sechstes Ausführungsbeispiel dargestellt, eine Mischform von U-Form und Knick möglich ist. Hierbei erfolgt bevorzugt die erste Anbringung mit einem Knick und die zweite Anbringung am gebogenen Bereich. In 8 ist als siebtes Ausführungsbeispiel eine rein U-förmige Anbringung an den flächigen Elementen 2 und 3 vorgesehen.
  • Um beispielsweise eine Schraube fest in einem derartigen Leichtbauelement verankern zu können, kann im Rahmen der Herstellung, bevorzugt wenn die den Kern bildenden Teile 4 angebracht werden, am ersten flächigen Element 2 an der späteren Befestigungsstelle ein hohles, tubenförmiges Verstärkungselement 5, beispielsweise wie in 9 dargestellt, angebracht werden, welches den Festigkeitsanforderungen entsprechende Abmessungen hat. Anschließend wird das zweite flächige Element 2 angebracht. In dieses tubenförmige Verstärkungselement 5 kann dann im Rahmen der Montage eine selbstschneidende Schraube eingeschraubt werden.

Claims (10)

  1. Leichtbauelement bestehend aus einem Kern und zwei flächigen Elementen (2, 3), die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kerns angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern durch eine Vielzahl von senkrecht oder schräg zu den flächigen Elementen (2, 3) verlaufenden Teilen (4) gebildet ist, die durch Fasern und/oder Hohlfasern gebildet sind, wobei die Teile (4) eine im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den beiden flächigen Elementen (2, 3) maximal gleich große größte Abmessung in einer Ebene parallel zu einem der flächigen Elemente (2 oder 3) aufweisen.
  2. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht oder schräg zu den flächigen Elementen (2, 3) verlaufenden Teile (4) strukturierte Flächen aufweisen.
  3. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (4) zumindest im Bereich eines der flächigen Elemente (2, 3) voneinander beabstandet sind.
  4. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile mit mindestens einem Ende an einem flächigen Element (2, 3) angebracht sind.
  5. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (4) gebogen oder abgeknickt sind, wobei sie auf der äußeren Seite im gebogenen oder abgeknickten Bereich an einem flächigen Element (2, 3) angebracht sind.
  6. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (4) und/oder die flächigen Elemente (2, 3) aus Metall, insbesondere Leichtmetall, einer Metalllegierung, Kunststoff, insbesondere Polyvinylalkohol, Keramik, insbesondere in grüner Form, Papier, insbesondere mit Kevlar beschichtet, oder aus einem regenerativen Naturprodukt bestehen.
  7. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den flächigen Elementen (2, 3) mindestens ein weiteres Element, insbesondere ein Verstärkungselement (5), ein Belüftungselement oder ein durchführendes Element, angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelements (1), wobei an einem ersten flächigen Element (2) eine Mehrzahl den Kern bildender Teile (4), gebildet durch einzelne Fasern und/oder Hohlfasern, angebracht, das erste flächige Element (2) mit den den Kern bildenden Teilen (4) geformt, und anschließend ein zweites flächiges Element (3) auf der anderen Seite der den Kern bildenden Teile (4) angebracht wird, wobei die Teile (4) eine im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den beiden flächigen Elementen (2, 3) maximal gleich große größte Abmessung in einer Ebene parallel zu einem der flächigen Elemente (2 oder 3) aufweisen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kern bildenden Teile (4) extrudiert und anschließend an dem ersten flächigen Element (2) angebracht werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kern bildenden Teile (4) abgeknickt oder gebogen werden und auf der äußeren Seite an dem ersten flächigen Element (2) angebracht werden.
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DE19900934C2 (de) * 1999-01-13 2001-06-28 Mathias Hoffmann Mehrlagiges Bauelement

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