DE102006039756A1

DE102006039756A1 - Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild

Info

Publication number: DE102006039756A1
Application number: DE200610039756
Authority: DE
Inventors: Bruno Malinek
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20100086766A1; WO2008022736A2; US20080075912A1; EP2054659A2; WO2008022736A3; CN101506569A; JP2010501794A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild, bei dem zumindest teilweise mindestens eine Isolierlage (14) eingesetzt ist. Dadurch, dass die Isolierlage (14) aus einer zellularen Struktur gebildet ist, ist diese unter Bildung eines Verbandes aus miteinander in Wechselwirkung stehenden Einzelzellen aufgebaut, wobei die einzelnen "Zellwände" die Gesamtstruktur, also das Abschirmbauteil als Ganzes, aussteifen und die Räume zwischen den "Zellwänden" dienen als Hohlräume ausgebildet einer Gewichtsreduzierung des Abschirmbauteils, so dass dieses als Leichtbauteil ausbildbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild, bei dem zumindest teilweise mindestens eine Isolierlage eingesetzt ist.
Abschirmbauteile dieser Art sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik weit verbreitete Anwendung. Als Hitzeschild konzipiert haben solche Bauteile die Aufgabe, die durch Strahlen und/oder Konvektion abgegebene Wärme von Motoren und deren Komponenten, wie Turboladern, Katalysatoren etc., abzuhalten. Da die in Frage kommenden abzuschirmenden Teile nicht nur Wärmequellen darstellen, sondern auch Schallquellen sind, ist neben der Wärmedämmung auch ein günstiges akustisches Abschirmverhalten äußerst wichtig.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist in der DE 41 37 706 A1 bereits vorgeschlagen worden, als schallabsorbierende Wärmeisolierung für ein Abschirmbauteil einen schalldurchlässigen metallischen Träger als Decklage vorzusehen, mit einem an dem Träger angeordneten Isolationsmaterial in Form einer Isolierlage. Als Isoliermaterial wird bei der bekannten Lösung ein Feststoff, gebildet aus Quarzsand, eingesetzt, dessen Korndurchmesser bei ca. 0,8 bis 2 mm liegt. Das Quarzsand-Material läßt sich gut in vorhandene Ausprägungen des Trägers einbringen und vom metallischen Träger umschließen; bedingt durch den Einsatz des Feststoffes weist die bekannte Lösung aber ein hohes Gewicht auf und soweit das Abschirmbauteil in Mehrschicht-Bauweise ausgelegt ist, ist ein erhöhter Herstellaufwand nebst Herstellkosten gegeben.
Vergleichbare Lösungen zeigen auch die DE 102 53 508 B3 , die als Isolierlage zwischen als Decklagen ausgebildeten Blechplatinen hochdispergierte Kieselsäure einsetzt, die wie Quarzsand inkompressibel ist und eine große Wärmedämmung gewährleistet, sowie die DE 42 11 409 A1 , die als wärmeisolierende und schalldämmende Lage als Verkleidung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen Glasfasergelege einsetzt, die unter anderem mit mineralischen Füllstoffen versehen sind, wie Quarzsand oder Basaltwolle.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen unter Beibehalten ihrer Vorteile, nämlich eine gute Schall- und Wärmeabsorption sicherzustellen, dahingehend weiter zu verbessern, dass bei geringen Herstellkosten eine Leichtbauweise für das Abschirmbauteil realisierbar ist. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Abschirmbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Isolierlage aus einer zellularen Struktur gebildet ist, ist diese unter Bildung eines Verbandes aus miteinander in Wechselwirkung stehenden Einzelzellen aufgebaut, wobei die einzelnen „Zellwände" die Gesamtstruktur, also das Abschirmbauteil als Ganzes, aussteifen und die Räume zwischen den „Zellwänden" dienen als Hohlräume ausgebildet einer Gewichtsreduzierung des Abschirmbauteils, so dass dieses als Leichtbauteil ausbildbar ist. Die zellulare Struktur weist darüber hinaus gegenüber einer vollmassiven Isolierlage, beispielsweise aufgebaut aus dichten Metallen, Faserverbundwerkstoffen oder mineralischen Feststoffbetten, wie Quarzsand, eine deutlich verbesserte Schall- und Vibrationsdämpfung auf. Durch die zellulare innere Struktur des Abschirmbauteils wird die Dichte reduziert bei gleichzeitiger Erhöhung der Zug- und Druckfestigkeitswerte. Auch erlaubt die zellulare Struktur des Abschirmbauteils eine vermehrte Aufnahme an Deformationsenergie, was sich wiederum günstig auf das Deformationsverhalten im Betrieb des Abschirmbauteils auswirkt.
Die jeweils eingesetzte zellulare Struktur kann als eigenstabile Lage dem Grunde nach das Abschirmbauteil selbst bilden; bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass die jeweilige Isolierlage sich zumindest teilweise entlang mindestens einer Decklage erstreckt, um dergestalt die gegebenenfalls gegen Abrieb empfindliche zellulare Struktur vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, die zellulare Struktur aus einem offenzelligen Schaum, einer Hohlkugelstruktur, einer Wabenstruktur oder einer Siebdruckstruktur zu bilden. Mit den dahingehenden zellularen Strukturen lassen sich auch geometrisch komplex geformte Isolierlagen herstellen, so dass der konstruktiven Ausgestaltung von Abschirmbauteilen nahezu keine Grenze gesetzt sind, was eine Rolle spielt, wenn das Abschirmbauteil als Hitzeschild ausgebildet direkt am Ort der Wärmeentstehung komplexen dreidimensionalen Außengeometrien nachzufolgen hat, wie sie beispielsweise durch die Ausgestaltung eines Motorblockes, Turboladers oder Katalysators vorgegeben sind.
Im Sinne einer optimierten Leichtbauweise mit dennoch hohen Festigkeitswerten hat es sich als günstig erwiesen, einen Metallschaum für die Isolierlage einzusetzen. Im Sinne einer Sandwich-Bauweise hat es sich wiederum als besonders günstig erwiesen, für den Schaum eine offenporige Struktur einzusetzen, die insbesondere beim Auftreten von Biegewechselspannun gen oder dergleichen ein hohes Maß an Elastizität bei gleichzeitiger Festigkeit gewährleistet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abschirmbauteils sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Abschirmbauteil anhand verschiedener Ausführungsformen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
1 in perspektivischer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel des Abschirmbauteils als Hitzeschild konzipiert, wobei dem Betrachter zugewandt eine Blechdecklage gezeigt ist, die darunterliegend eine Isolierlage nach oben hin abdeckt;
2 eine Unteransicht auf das Abschirmbauteil nach der 1 mit dem Betrachter zugewandter Isolierlage, die zumindest teilweise randseitig von der Blechdecklage nach der 1 übergriffen ist;
3 in prinzipieller Darstellung einen Teilausschnitt der Lösung nach den 1 und 2, bei dem randseitig die Blechdecklage die eingesetzte Isolierlage übergreift;
4 eine der 3 entsprechende Darstellung einer geänderten Ausführungsform mit eine zwischen zwei Decklagen aufgenommenen Isolierlage;
5 und 6 geschnitten dargestellt eine jeweils einzelne Strukturzelle als Teil eines offenzelligen Schaumes bzw. einer Hohlkugelstruktur;
7 in perspektivischer Draufsicht einen Ausschnitt einer Waben- oder Siebdruckstruktur.
Das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Abschirmbauteils ist in der Art eines Hitzeschildes ausgebildet, wie man es regelmäßig im Kraftfahrzeugbereich benötigt, wobei sich entlang einer Decklage 10 eine Isolierlage 14 aus einer zellularen Struktur erstreckt. Wie insbesondere die 2 zeigt, ist die Isolierlage 14 randseitig zumindest teilweise von der Blechdecklage 10 übergriffen und derart an der Decklage 10 flächig gehalten. Die Decklage 10 kann zusammen mit der Isolierlage 14 flächig zugeschnitten werden, um dann im Verbund gemeinsam umgeformt eine dreidimensionale Hitzeschildlösung auszubilden mit eingeprägten Versteifungssicken 16 und Durchgriffsöffnungen 18, die dem späteren Festlegen des Hitzeschildes im Kraftfahrzeuginneren dienen.
Die dahingehend umgebördelte Festlegesituation ist in einer prinzipiellen Schnittdarstellung in der 3 wiedergegeben. Für die Isolierlage 14 nach der 2 kommt eine sog. Hohlkugelstruktur zum Einsatz, bei denen definiert herstellbare Einzelzellen, vorzugsweise aufgebaut aus metallischen Hohlkugeln 19, zu zellularen Strukturen miteinander verbunden werden. Dahingehende metallische Hohlkugeln, wie sie aufgeschnitten exemplarisch für eine Einzelzelle in der 6 dargestellt sind, lassen sich durch Beschichtung von organischen Trägern, wie Styroporkugeln und anschließen des Entbindern nebst Anwendung eines Sinterprozesses herstellen. Dabei entstehen Kugeln im Durchmesser zwischen 1,5 bis 10 mm bei einer Schalendicke von 20 bis 500 μm als Zellwand 22 der zellularen Struktur. Als Beschichtungswerkstoff eignen sich neben Eisenpulver auch sonstige Metallpulver, die mit einem Binder auch eine Suspension eingehen können.
Dem Grunde nach ließe sich die dahingehende Hohlkugelstruktur auch über einen keramischen Werkstoff erhalten, wobei jedoch der Einsatz von Metallen für die Hohlkugelstruktur den Vorteil hat, dass die Struktur bis zu einem gewissen Grad kompressibel ist. Auch erweist sich der derart aufgebaute Hohlkugelverbund mechanisch und thermisch stabil und widersteht abrasiven Einflüssen. Somit besteht auch die Möglichkeit, unter Weglassen der Blechdecklage 10 die aufgezeigte Hohlkugelstruktur 14 als Isolierlage unmittelbar zum Hitzeschild durch Umformen auszubilden und einzusetzen. Gerade durch die Kombination der Blechdecklage 10 mit der Isolierlage 14 wird jedoch zum einen die Isolierlage 14 vor abrasivem Einfluß geschützt und insbesondere bei dünner Ausbildung der Isolierlage 14 trägt die Decklage 10 zur Stabilisierung des Gesamt-Hitzeschildes mit bei und erleichtert das Verbauen des Hitzeschildes im Innenbereich des Fahrzeuges, wie einem Motorraum od. dgl..
Neben der genannten Hohlkugelstruktur, die auch aus einer Hohlwabenstruktur od. dgl. aufgebaut sein könnte, kann als Isolierlage 14 ein Metallschaum, insbesondere in Form eines offenzelligen Schaumes, zum Einsatz kommen. Neben Metallschaum kann auch ein Kompositschaum unter Einsatz von thermisch stabilen Kunststoffmaterialien für die Isolierlage 14 eingesetzt sein, ebenso wie Keramikschäume, die für ihre Herstellung zu sintern sind und im Gegensatz zu den bevorzugt zum Einsatz kommenden Metallschäumen kein elastisch nachgiebiges Dehn- oder Stauchverhalten aufweisen, was an sich gewünscht ist, damit das Abschirmbauteil oder Hit zeschild bei thermischer Beanspruchung sich entsprechend unter dem Wärmeeinfluß reversibel ausdehnen kann.
Für den Erhalt des Metallschaumes läßt sich beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper einsetzen, wie es durch die DE 40 18 360 C1 vorgegeben ist. Bei dem bekannten Verfahren wird zunächst eine Mischung aus einem Metallpulver und einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt. Anschließend wird diese Mischung heiß kompaktiert zu einem Halbzeug geformt bei einer Temperatur, bei der die Verbindung der Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt und bei einem Druck, der derart hoch gewählt ist, um einer Zersetzung des Treibmittels entgegenzuwirken. Das Heißkompaktieren wird so lange durchgeführt, bis die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und insoweit einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels darstellen. Das derart hergestellte Halbzeug wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels aufgeheizt und anschließend wird der derart aufgeschäumte Körper abgekühlt. Als Treibmittel können dabei Metallhydride, wie Titanhydrid oder Karbonate eingesetzt werden, aber auch leicht verdampfende Stoffe in Form pulverisierter organischer Substanzen. Als Metalle kommen hier insbesondere Reinaluminiumpulver in Frage, aber auch Kupferpulver und dergleichen mehr. Detailliertere Einzelheiten zur Herstellung ergeben sich aus der genannten Patentschrift.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen von Stahlschaum, insbesondere in Form von Aluminium- und Nickelschäumen, ergibt sich durch das sog. SchlickerReaktionsSchaumSinter (SRSS) – Verfahren, wobei das Aufschäumen durch eine chemische Reaktion bei Raumtemperatur erfolgt. Dabei werden zunächst das Metallpulver und das Dispergiermittel unter Bildung eines Schichtsilikats vermischt, wobei in Abhängigkeit des Legierungsgehal tes des Metallpulvers ein Treibmittel in Form eines sehr fein reaktiven Metallpulvers, beispielsweise in Form von Carbonyleisen, zuzugeben ist. Anschließend wird konzentrierte Phosphorsäure dem Lösungsmittel – Wasser und/oder Alkohol – zugegeben, wobei die Säure in Wasser disoziiert. Dergestalt entsteht eine Art schlickerartige Suspension, in der zwei Reaktionen parallel ablaufen, nämlich zum einen entstehen bei der chemischen Reaktion und zwischen den reaktiven Metallteilchen und der Säure Wasserstoffgasbläschen, die ein direktes Aufschäumen des Schlickers bewirken, und des weiteren bildet sich ein Metallphosphat, welches die Aufgabe eines Bindemittels übernimmt und die Schaumstruktur stabilisiert. Der derart erhaltene Grünling wird dann unter Reduzieren der Atmosphäre zu einem offenporigen Metallschaum gesintert (siehe hierzu auch DE 197 16 514 C1 ).
Ferner läßt sich der offenzellige Schaum wiederum durch ein Beschichtungsverfahren von Polymerschäumen unter Einsatz von Metallpulver, wie Eisenpulver, erhalten. Das dahingehende Herstellverfahren entspricht dann wiederum dem Verfahren zum Herstellen der jeweiligen Hohlkugelsstruktur unter Einsatz der sich anschließenden Entbinderung sowie Sinterung. Hierbei bevorzugt zum Einsatz kommende Werkstoffe sind Stahl oder Legierungen auf der Basis von Nickel, Kobalt und Titan. Ebenso können intermetallische Verbindungen zum Einsatz kommen. Die derart hergestellten offenzelligen oder offenporigen Schäume weisen neben einer hohen Permeabilität eine große spezifische Oberfläche und mithin ein hohes Maß an Wärmeabfuhrvermögen auf. Der dahingehend offenporige Schaum kann klein- oder großporig ausgebildet sein. Die Offenporigkeit führt zu einem geringen Einsatzgewicht für das Schaummaterial und mithin zu einem niedrigen Gewicht für das gesamte Abschirmbauteil. Aufgrund der Porenstruktur ist ein entsprechender Metallschaum auch elastisch nachgiebig und kann dergestalt thermisch bedingte Längen- oder Volumenänderungen sinnfällig aus gleichen. Darüber hinaus ergibt sich dergestalt ein sehr drucksteifes, belastbares Gesamtgebilde für das jeweils gewünschte Abschirmbauteil.
Eine Einzelzelle für einen dahingehend offenporigen Schaum ist mit ihren Poren 20 sowie die Poren 20 begrenzenden Zellwände 22 in der 5 im Schnitt in einer Art Halbkugelform dargestellt. Die dahingehenden Zellen könnten auch als freies Schüttgut eingesetzt werden, um dergestalt in praktischer Weise in einen Zwischenraum zwischen zwei Decklagen 10, 12 gemäß der Darstellung nach der 4 eingebracht zu werden. Auch könnten dergestalt verschiedene Arten an Isolierlagen 14 miteinander verbunden werden, beispielsweise ein offenporiger Schaum, wie vorstehend beschrieben, mit geschlossenen einzelnen Schaumzellen gemäß der Darstellung nach der 5. Sofern die Isolierlage 14 aus einer zellularen Struktur aus Porenschaum oder als Hohlkugelstruktur in Plattenbauweise gebildet ist, läßt sich eine dahingehende Strukturplatte auch zwischen die Decklagen 10, 12 des Hitzeschildes gemäß der Darstellung nach der 4 auch bei einem gebogenen stirnseitigen Verlauf ohne weiteres einbringen, da insoweit sich die zellulare Struktur als nachgiebig erweist und der jeweiligen Kontur der Decklagen 10, 12 unter Verringerung der Hohlräume oder Poren nachfolgen kann. Ein weiter verbessertes Wärmeableitverhalten ergibt sich, sofern mindestens einer der beiden Decklagen 10, 12 mit Durchlässen, beispielsweise in Form einer Perforation versehen ist. Dergestalt kann auch mindestens eine Decklage, hier die untere Decklage 12 aus einem Streckmetallgitter bestehen.
Eine weitere Möglichkeit, um die gewünschte zellulare Struktur als Hohlstruktur beispielsweise in Form einer Wabenstruktur gemäß der Darstellung nach der 7 unter Einsatz eines Metalles zu erhalten, besteht wiederum darin, ein Metallpulver, beispielsweise in Form eines Aluminiumpulvers, mit einem geeigneten Gleitmittelpulver homogen zu vermischen, das als gasdichtes Vormaterial (Halbzeug) derart erwärmt wird, dass oberhalb des Metallschmelzpunktes ein Metallschaum entsteht. Wird dann der flüssige Schaum durch schnelles Abkühlen unterhalb der Metallschmelztemperatur in die feste Phase überführt, entsteht ein fester Metallschaum mit einer geschlossenen wabenartigen Außenhaut mit einer darin liegenden geschlossenporigen inneren Struktur. Die derart erhaltenen Einzelelemente oder Einzelzellen in Wabenstruktur mit geschlossener Umgebungshaut 24 gemäß der Darstellung nach der 7 können dann auch mehrlagig als Auffüllmaterial zwischen die Decklagen 10, 12 des Hitzeschildes eingebracht werden oder dieses sandwichbauartig unter Weglassen der Decklagen selbst ausbilden.
Die Wabenstruktur nach der 7 läßt sich auch über ein sog. metallisches Siebdruckverfahren erhalten, bei dem in Einzelschritten ein sich schichtweiser Aufbau für die Wabenstruktur ergibt. Eine sinnfällige Strukturierung der Isolierlage 14 kann dann durch Maskenvariation erfolgen. Anschließende Entbinderung und Sinterung führt dann im großserientauglichen Rahmen zu Isolierlagen 14 mit einem gezielten, äußerst vielfältigen Porendesign.
Die durch die zellulare Struktur der Isolierlage 14 gebildeten Hohlräume (Poren) lassen sich darüber hinaus mit weiteren Füllkörpermaterialien versehen, wie Fasermaterialien, Feststoffen und dergleichen mehr. Hierdurch lassen sich weitere Anpassungen an thermische Gegebenheiten schaffen und/oder die genannte Struktur weiter aussteifen.
Unter Einsatz zellularer Isolierlagen für Abschirmbauteile, wie Hitzeschilder, ist neben einer sehr guten thermischen Isolation und einer überragenden Schallabsorption bedingt durch das hohe Energieabsorptionsvermögen eine gute mechanische Dämpfung gegenüber Schwingungen und Stößen erreicht, so dass ein derart ausgestaltetes Hitzeschild als sehr robust für den späteren Einsatz zu bezeichnen ist.

Claims

Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild, bei dem zumindest teilweise mindestens eine Isolierlage (14) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierlage (14) aus einer zellularen Struktur gebildet ist.
Abschirmbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierlage (14) sich zumindest teilweise entlang mindestens einer Decklage (10, 12) erstreckt.
Abschirmbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur aus einem offenzelligen Schaum gebildet ist.
Abschirmbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur aus einer Hohlkugelstruktur gebildet ist.
Abschirmbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur aus einer Wabenstruktur gebildet ist.
Abschirmbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur aus einer Siebdruckstruktur gebildet ist.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Bildung der zellularen Struktur eingesetzten Werkstoffe auf Eisen-, Stahl-, Titan-, Kobalt-, Nickel-, Aluminium-, Kupfer-, Magnesium- sowie Edelstahlbasis beruhen einschließlich deren Legierungen und unter Einbezug von intermetallischen Verbindungen sowie aller sinterbaren Werkstoffe.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur als eigenstabiles Flächengebilde konzipiert zumindest teilweise randseitig von einer Decklage (10) umgriffen ist.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulare Struktur zwischen zwei Decklagen (10, 12) angeordnet ist, von denen eine (12) vorzugsweise durchlässig ausgebildet ist, insbesondere aus einem Streckmetallgitter besteht.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (18) der zellularen Struktur mit Füllmedien versehen sind.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Sandwich-Bauweise sich Decklagen (10, 12) mit zellularen Strukturlagen abwechseln.
Abschirmbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Decklage (10, 12) aus einem Blechwerkstoff erhalten ist.