DE102006050393B4

DE102006050393B4 - Lastaufnehmende Raumgitterstruktur, Leichtbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006050393B4
Application number: DE102006050393A
Authority: DE
Inventors: Amir Tahric
Original assignee: Amir Tahric
Current assignee: AMIR TAHRIC, CH; TAHRIC, AMIR, CH
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2026-10-21
Also published as: DE102006050393A1; EP2082102A1; WO2008046392A1; US20100115883A1

Abstract

Lastaufnehmende Raumgitterstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie Flächen oder Kanten raumfüllend angeordneter archimedischer Oktaederstümpfe umfasst, wobei sich die Oktaederstümpfe mit quadratischen Seitenflächen berühren und über diese verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine lastaufnehmende Raumgitterstruktur, Leichtbauelemente, welche diese Struktur umfassen, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Leichtbauelemente.
Bekannt sind Sandwich-Leichtbauelemente, die eine Kernschicht mit einer Wabenstruktur umfassen. Solche Elemente zeichnen sich durch gute Druckfestigkeit und Schubfestigkeit in Längsrichtung aus. Ihr Widerstand gegen Stoßbelästung und Torsion ist jedoch gering, weil die Wabenstrukur nur an ihren Kanten mit den Deckschichten verbunden (z. B. verklebt) ist und diese Verbindung sich leicht löst. Die EP-527109-A1 schlägt vor, diesen Zustand zu verbessern, indem die Wabenkanten über Klebstoffwülste mit den Deckschichten verbunden werden.
DE-10252207-B offenbart ein Formteil als Kern eines Sandwichs mit senkrecht zur Mittenebene des Kerns ausgebildeten Höckern, deren Seitenflächen eben und an Deckplatten anbindbar sind. Hierdurch wird die Bindung des Kerns an die Deckschichten verbessert.
US 5,615,528 beschreibt eine lastaufnehmende Struktur aus einem kontinuierlichen Material, das in Form von vierseitig abgestumpften Rhombendodekaedern vorliegt. Diese Polyeder können nicht raumfüllend angeordnet werden und die verbleibenden Lücken sollen die bei Belastung auftretenden Spannungen so verteilen, dass Zugspannungen minimal sind.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine lastaufnehmende Raumgitterstruktur sowie ein Leichtbauelement anzugeben, die Zug-, Druck-, Biege-, Schub- und Torsionskräften gleichermaßen widerstehen können und dabei einen möglichst geringen Materialaufwand erfordern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leichtbauelements gerichtet.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Raumgitterstruktur nach Anspruch 1, ein Leichtbauelement nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 23.
Im Sinne dieser Erfindung wird unter ”Oktaederstumpf” ein Körper verstanden, den man sich durch Abschneiden aller sechs Ecken von einem regelmäßigen Oktaeder entstanden denken kann. Das Abtrennen der Ecken geschieht- so, dass mit jeder Ecke je ein Drittel der in der Ecke mündenden Kanten entfernt wird. Dabei entsteht ein sog. archimedischer Polyeder, der von sechs Quadraten und acht gleichseitigen Sechsecken begrenzt wird. Die 36 Kanten sind alle gleich lang (ein Drittel der Kantenlänge des Ausgangs-Oktaeders). Die 24 Ecken sind ebenfalls insofern gleich, als sie jeweils an einem Quadrat und zwei Sechsecken liegen. Eine besondere Eigenschaft besteht darin, dass eine Mehrzahl gleicher Oktaederstümpfe so angeordnet werden kann, dass dadurch ein Bereich des Raums lückenlos gefüllt wird. Legt man beispielsweise gleiche Oktaederstümpfe so auf einer ebenen Unterlage als Schicht aus, dass sie jeweils mit einem Quadrat an der Unterlage anliegen und sich mit den dann an den Seiten liegenden Quadraten kongruent berühren, dann entsteht ein quadratisches Gitter mit Senken in der Mitte der Zellen, die genau eine weitere gleichartige Schicht, jedoch um eine halbe Zellendiagonale verschoben und eine halbe Höhe der Körper (über gegenüberliegende Quadrate gemessen) erhöht, aufnehmen können. Durch Zufügen weiterer Schichten in derselben Art kann der Raum lückenlos gefüllt werden.
Bei dieser raumfüllenden Anordnung fallen im geometrischen Sinn sich berührende Oktaederstumpfflächen und -kanten zusammen und sind lediglich zwei- bzw. eindimensional. Für die praktische Realisierung der Erfindung sind jedoch dreidimensionale Elemente erforderlich. Daher sind die Begriffe ”Flächen” und ”Kanten” hier so zu verstehen, dass sie platten- bzw. stabförmige Gebilde bezeichnen, die ggf. mehreren sich berührenden Oktaederstümpfen der Raumgitterstruktur angehören, dabei aber auch aus der Verbindung von Flächen und Kanten sich berührender Oktaederstümpfe hervorgehen können. Durch Verbinden der sich berührenden Flächen oder durch Verwendung von Flächenelementen, die den benachbarten Oktaederstümpfen gemeinsam sind, entsteht dann die erfindungsgemäße lastaufnehmende Raumgitterstruktur. Im Folgenden soll „Verbinden” sowohl das Befestigen von sich kongruent berührenden Flächenelementen aneinander als auch die Verwendung von Flächenelementen, die benachbarten Oktaederstümpfen gemeinsam sind, bedeuten.
Sind in der Struktur Flächen des Oktaederstumpfs vorhanden, dann bilden deren Seiten selbstverständlich auch entsprechende zur Struktur gehörende Kanten. Zur Erfindung gehören auch Ausführungsformen, bei denen die Flächenelemente im Mittenbereich, also entfernt von den Kanten, dünner als im Kantenbereich sind, sowie Ausführungsformen, bei denen nur noch stabförmige Kantenelemente vorhanden sind.
Neben der vollständigen Raumfüllung hat der Oktaederstumpf unter den regelmäßigen Polyedern auch ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das dem optimalen Verhältnis bei der Kugel sehr nahe kommt. Dies kommt der Forderung nach minimalem Materialaufwand bei optimaler Raumfüllung entgegen.
Die erfindungsgemäße Raumgitterstruktur ermöglicht eine weitgehend isotrope Verteilung der auf sie einwirkenden Kräfte ohne Konzentration der mechanischen Spannungen auf bestimmte potentielle Bruchstellen. Daher ist sie gleichermaßen druckfest, biegesteif, stoßbeständig, widerstandsfähig gegen Stoß- und Berührungslasten und schubfest sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.
Die Oktaederstümpfe können in einer Schicht angeordnet sein, wobei – wie oben beschrieben – jeweils die quadratischen Seitenflächen von benachbarten Körpern zusammenfallen. Eine solche Schicht weist auf der Ober- und Unterseite Vertiefungen auf, die jeweils einem halben Oktaederstumpf entsprechen. Bereits eine solche Schicht kann über die nach oben und unten gerichteten quadratischen Seitenflächen mit anderen Bauteilen verbunden werden.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Raumgitterstruktur zwei oder mehrere Schichten von Oktaederstümpfen, die raumfüllend übereinander angeordnet sind. Eine solche Struktur kann beispielsweise andere Bauteile auf Abstand halten.
Wenn die Kanten der Oktaederstümpfe gleich lang sind, ist eine solcherart erzeugte Schicht eben. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung möglich, auch gekrümmte oder gewölbte Schichten zu erzeugen, wenn die Längen einzelner Kanten der Oktaederstümpfe geringfügig angepasst werden, ohne dass die Raumfüllung aufgehoben wird. In analoger Weise lässt sich die Struktur durch angemessene Vergrößerung oder Verkleinerung einzelner Kanten auch an unebene Flächen anderer Bauteile anpassen.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform betrifft ein Leichtbauelement nach Sandwichart, das zwei äußere Deckschichten und eine Kernschicht aufweist. Die Kernschicht umfasst dabei eine erfindungsgemäße Raumgitterstruktur.
In eine bevorzugten Ausführungsform wird die Kernschicht durch eine Schicht aus Oktaederstümpfen gebildet, die jeweils mit gegenüberliegenden Quadratflächen an eine der Deckschichten gebunden sind. Zur Raumfüllung sind die einzelnen Körper so angeordnet, dass jeder Oktaederstumpf mit jeder der vier nicht an die Deckschichten gebundenen Quadratflächen eine Quadratfläche eines benachbarten Körpers berührt und mit dieser verbunden ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Leichtbauelement nach Sandwichart, dessen Kern aus zwei Schichten von Oktaederstümpfen gebildet wird, die raumfüllend übereinander liegen. Die Körper der zweiten Schicht liegen dann in den Vertiefungen der ersten Schicht, so dass der ganze Kern um die Hälfte höher ist als ein aus einer einzigen Schicht bestehender. Die Verbindung zu den Deckschichten erfolgt wiederum über die oben und unten freiliegenden Quadratflächen der Oktaederstümpfe.
Weiter bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich, wenn dem Kern weitere Schichten aus Oktaederstümpfen raumfüllend überlagert werden. Dies können dann beispielsweise insgesamt drei, vier oder fünf Schichten sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Leichtbauelements ist der Sandwichkern aus mindestens drei Oktaederstumpfschichten zusammengesetzt, von denen mindestens eine der mittleren Schichten ein von den äußersten Schichten abweichende Höhe der Oktaederstümpfe aufweist.
Besonders bevorzugt sind Raumgitterstrukturen, die im Mittelbereich ein doppelt so hohen Oktaederstumpf aufweisen wie die Randschichten. Dabei würde beim Fügen der Flächen jedes vierte Quadrat der Randschicht ein großes Quadrat der Mittelschicht treffen. Sehr dünne Zwischenlagen können die Scheibenwirkung zwischen die Außen- und Mittelschicht verbessern.
Um das Flächengewicht des Leichtbauelements weiter zu vermindern, werden in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest bei einem Teil der Flächenelemente der Struktur diese in ihrem Mittenbereich ausgedünnt. Dadurch wird die Stabilität der Struktur nicht wesentlich beeinflusst, weil die Raumgitterstruktur eine Kraftaufnahme und -verteilung in den Raum bewirkt. Es erfolgt bewusst eine Kraftzerlegung über das Stabwerk im Raum und ermöglicht somit eine isotrope Lastaufnahme. Da Masseanhäufung an den Kanten erzeugt wird, wird der Kraftfluss über die Körperkanten definiert weitergeleitet und an jedem Knotenpunkt neu zerlegt und verkleinert. Es kann jedoch vorteilhaft sein, die zur Verbindung zu den Deckschichten dienenden quadratischen Flächenelemente nicht auszudünnen, um die Stabilität der Verbindung zur Deckschicht nicht zu gefährden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Raumgitterstruktur des Sandwichkerns durch ein Stabwerk realisiert. Die Stäbe liegen auf den Kanten der Oktaederstümpfe und sind an den Ecken miteinander verbunden. Man kann sich auch vorstellen, dass ein solches Stabwerk aus einer Struktur mit Flächenelementen hervorgeht, wenn man das oben erwähnte Ausdünnen der Mittenbereiche so weit fortsetzt, bis Öffnungen in den Flächenelementen entstehen. Die Verbindung zu den Deckschichten erfolgt dann über die Stäbe, welche das entsprechende verbindende Quadrat begrenzen. Es ist auch möglich, in der Stabwerkstruktur diese verbindenden Quadrate als Flächenelemente auszuführen.
Als Materialien für die Deck- und Zwischenschichten des erfindungsgemäßen Leichtbauelements kommen bevorzugt Metall, Kunststoff oder Fasermaterialien wie Pappe in Frage. Der Kunststoff kann ein Duroplast oder Thermoplast und faserverstärkt sein. Um möglichst isotrope mechanische Eigenschaften zu erreichen, kommt auch eine Verstärkung durch Gewebe oder Vliese in Frage.
Geeignete Materialien für die Flächenelemente der Raumgitterstruktur sind Metalle wie Aluminium, Kunststoffe wie Duro- und Thermoplaste, Papier oder Pappe, ggf. mit Festigkeitsverstärkern imprägniert. Für die Stabwerksstrukturen werden bevorzugt Metalle oder durch Fasern (z. B. Glasfasern) verstärkte Kunststoffe eingesetzt. Thermoplaste sind bevorzugt.
Die Verbindung der Flächenelemente in der Raumgitterstruktur untereinander ergibt sich bevorzugt dadurch, dass für die Herstellung größere plattenförmige Halbzeuge umgeformt werden und so der Zusammenhalt der Flächenelemente erhalten bleibt. Andererseits können aber auch einzelne Flächenelemente etwa durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden werden.
Die Stabelemente der Stabwerksstruktur können an den Ecken der Oktaederstümpfe beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben oder auch durch Muffenelemente verbunden werden.
Die Verbindung der Raumgitterstruktur mit den Deck- oder Zwischenschichten über die verbindenden Quadrate wird je nach den verwendeten Materialien ausgeführt. Beispielsweise sind Kleben, Nieten, Löten oder Schweißen geeignete Verfahren. Bei verstärkten Kunststoffen oder Faserstoffen ist auch eine stoffliche Verbindung über den Kunststoff oder das Imprägnierungsmittel möglich, die nach dem Zusammenfügen durch Kühlen, Trockenen oder chemische Reaktion ausgehärtet werden.
Vorteilhaft ist es, auf den verbindenden Quadratflächen und/oder den Deck- oder Zwischenschichten Arretierungshilfen vorzusehen, die das Zusammenfügen und den Zusammenhalt von Raumgitterstruktur und Deck- oder Zwischenschicht verbessern. Beispielsweise können das Aufrauhungen für das Kleben, vorgeformte Löcher zum Nieten oder Schrauben, insbesondere an Stabelementen befestigte Laschen zum Nieten, Schrauben oder Kleben sein.
Die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente zeichnen sich durch hervorragende Festigkeitseigenschaften, insbesondere Druckfes tigkeit, Biegesteifigkeit, Widerstand gegen Stoß- und Berührungslasten, Schubfestigkeit in Längs- und Querrichtung), aus. Dabei besitzen sie niedrige Flächengewichte. Die Raumgitterstrukturen zwischen den Deckschichten wirken auch schwingungsdämpfend, selbst bei Resonanz der Deckschichten. Daher wirken sie der Übertragung von Schwingungen von einer Deckschicht auf die andere entgegen, so dass die erfindungsgemäßen Leichtbauelemente trotz geringen Flächengewichts hervorragend als Lärmschutzelemente geeignet sind.
In den erfindungsgemäßen Raumgitterstrukturen und Leichtbauelementen werden einwirkende Kräfte verteilt, so dass keine Belastungsspitzen auftreten können. Dadurch wird ein hohes Widerstandsmoment realisiert.
Die erfindungsgemäßen Raumgitterstrukturen und Leichtbauelemente sind auf vielen Gebieten der Technik anwendbar, darunter im Automobilbau, z. B. für Motorhauben, Kofferraumdeckel, Hutablagen, Kofferraumböden und Seitenverkleidungen, insbesondere für Türen, in der Flugzeugtechnik, z. B. für eine rohrförmige Außenwand oder für Tragflächenprofile und im Bauwesen, z. B. für schalldämmende Wände.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zur Herstellung der Leichtbauelemente. Grundsätzlich ist es möglich, die Oktaederstumpfkörper als Hohlkörper einzeln herzustellen und dann in der erfindungsgemäßen Raumgitterstruktur anzuordnen. Ein einfacheres Verfahren ergibt sich aus der Eigenschaft des Oktaederstumpfs, dass seine Hälften (wie oben definiert) identisch sind und durch Drehen um 180° zur Deckung gebracht werden können. Des weiteren sind die Oktaederstümpfe in der Raumgitterstruktur so raumfüllend angeordnet, dass sie sich untereinander berühren und miteinander verbunden sind. Daher kann eine offene Form von aneinandergrenzenden Oktaederstumpfhälften hergestellt werden, was viel einfacher als die Fertigung einzelner Hohlkörper ist. Durch Drehen eines Teils dieser Form um 180° oder Verschieben um eine halbe Zellendiagonale, Auflegen auf und Verbinden mit dem Übrigen über die Quadratflächen entsteht dann die Anordnung der vollständigen Oktaederstümpfe.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leichtbauelemente umfaßt also die Schritte:

– Bereitstellen flächigen Materials für Deck- und Zwischenschichten,
– Herstellen von Formteilen als Sandwichkerne, die durch die Flächen halbierter Oktaederstümpfe in raumfüllender Anordnung dargestellt werden,
– Verbinden zweier Sandwichkerne untereinander durch Verbinden von Quadratflächen unter Bildung einer Struktur aus ganzen Oktaederstümpfen,- Verbinden dieser Struktur über Quadratflächen mit einer Deckschicht einerseits und einer Deck- oder Zwischenschicht andererseits.

Die Sandwichkern-Formteile können beispielsweise aus einem plattenförmigen Thermoplasten (wie ggf. faserverstärktes Polyamid) durch Warmumformung zu Platten geformt werden, die eine Anordnung der Flächenelemente miteinander verbundener halber Oktaederstümpfe darstellen. Wie oben erwähnt, begrenzt eine Anordnung unterer Hälften, die untereinander über die diagonal halbierten Quadrate verbunden sind, auf ihrer Unterseite gleichermaßen eine Anordnung oberer Hälften. Man braucht nun also nur auf ein solches Sandwichkern-Formteil ein zweites so zu legen, dass die vollständigen Quadrate aufeinanderfallen (um eine halbe Zellendiagonale versetzt) und diese miteinander zu verbinden, z. B. durch Kleben, um die Struktur vollständiger Oktaederstümpfe zu erhalten. Diese Struktur kann nun über die freigebliebenen Quadratflächen mit Deckschichten und ggf. Zwischenschichten verbunden werden.
Selbstverständlich können durch Auflegen eines oder mehrerer weiterer Sandwichkern-Formteile auf die aus zwei Schichten bestehende Struktur und Verbinden über die Quadratflächen dickere Kerne hergestellt werden. Dabei kann auch an beliebiger Stelle der Reihenfolge eine Zwischenschicht eingefügt werden. Nach Aufbringen und Verbinden weiterer Sandwichkern-Formteile wird dann das Leichtbauelement mit einer Deckschicht abgeschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die einfache und wirtschaftliche Herstellung der Erfindungsgegenstände. Es erfordert keinerlei neue Technologie und kann mit den bekannten Techniken wie Kalandrieren, Spritzgießen, Prägen, Spritzprägen oder Pressen ausgeführt werden.
Die erfindungsgemäßen Raumgitterstrukturen und Leichtbauelemente können mit diesem Verfahren sehr flexibel dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden. Anwendungsmöglichkeiten bestehen beispielsweise im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen, speziell im Leichtbau und beim Lärmschutz.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beigegebenen Zeichnungen näher erläutert werden. es zeigen:
1 einen Oktaederstumpf in Beziehung zum erzeugenden Oktaeder in perspektivischer Sicht,
2 eine raumfüllende Anordnung von Oktaederstümpfen in perspektivischer Sicht,
3 vier Oktaederstümpfe aus 2 in der Draufsicht,
4 zeigt eine aus zwei Schichten von Oktaederstumpfhälften zusammengesetzte Raumgitterstruktur mit vollständigen Oktaederstümpfen in der Seitenansicht.
5 zeigt die Struktur der 4 in Draufsicht.
6 zeigt die Struktur der 4 in perspektivischer Ansicht.
7 zeigt die Struktur der 4 als Kern in einem Leichtbauelement.
8a zeigt einen Querschnitt durch ein Formteil.
8b einen Querschnitt durch dieses Formteil mit ausgedünnten Flächenelementen.
9 zeigt ein Leichtbauelement mit Innenschichten unterschiedlicher Höhe der Oktaederstümpfe.
1 zeigt einige wesentliche Eigenschaften des Oktaederstumpfs 1 und seine Beziehung zum erzeugenden Oktaeder 2. Wie man sieht, entsteht der Oktaederstumpf durch Abschneiden aller sechs Ecken 3 des Oktaeders 2. Damit sich ein regelmäßiger Oktaederstumpf ergibt, muss jede Oktaederkante 4 in drei gleiche Teile a geschnitten werden. Da die Seiten der gleichseitigen Sechsecke 5 zum Teil mit den Quadraten 6 gemeinsame Kanten bilden, ergibt sich, dass alle 36 Kanten des Oktaeders gleich lang sind.
Bild 2 zeigt eine Anordnung aus 16 gleichen Oktaederstümpfen 1, die so nebeneinanderliegen, dass ihre jeweils dem Nachbarn 1 zugewandten Quadratflächen 6 zusammenfallen. Die Anordnung ist ein quadratisches Gitter. Die Fähigkeit zur Raumfüllung ist daraus ersichtlich, dass die zwischen den Körpern entstehenden Senken genau die Form eines halben Oktaederstumpfs haben. Würde man in diese Senken weitere Oktaederstümpfe 1' einsetzten, dann ergäbe sich eine zur ersten Schicht identische Schicht, die nur um eine halbe Zellendiagonale verschoben und eine halbe Höhe des Oktaederstumpfs erhöht wäre. Eine dritte Schicht würde der ersten mit einer Erhöhung um eine Oktaederstumpfhöhe entsprechen. Es ergibt sich also eine raumfüllende Anordnung eines kubisch raumzentrierten Gitters.
Ein Detail aus 2 in der Draufsicht zeigt 3. Die vier Oktaederstümpfe 1 begrenzen zwischen sich eine aus den Sechsecken 5 und dem offenen Quadrat 6' gebildete Lücke 7, die offensichtlich komplementär zu jeder oberen Hälfte 1'' der Oktaeder ist. Wegen der Symmetrie der Körper ergäbe sich dasselbe Bild in der Untersicht. Das bedeutet, dass in die Lücke 7 sowohl von oben als auch von unten ein Oktaederstumpf eingesetzt werden kann. Ebenso wie die seitlichen Quadratflächen 6 der Oktaederstümpfe 1 in dieser Anordnung zusammenfallen, würden auch die oberen bzw. unteren Quadrate dieser fiktiv eingesetzten Oktaederstümpfe in dem offenen Quadrat 6' zusammenfallen.
4 zeigt, wie aus zwei Teilschichten, die aus Oktaederstumpfhälften 1'' zusammengesetzt sind, wieder eine Schicht mit vollständigen Oktaederstümpfen entsteht. Die untere Teilschicht 11 besteht aus den Sechseckflächen 15 und den quadratischen Verbindungsflächen 16 (nach außen weisend) und 17 (nach innen weisend). Die nach den Seiten weisenden Quadrate 13 sind hier halbiert. Die entsprechenden Flächen findet man in der oberen Teilschicht 12. Nun liegt die obere Teilschicht 12 so auf der unteren Teilschicht 11, dass die jeweils inneren Quadratflächen 17 aufeinander fallen und verbunden (z. B. verklebt) werden können. Dadurch entsteht eine Anordnung vollständiger Oktaederstümpfe 18.
Die 5 und 6 zeigen die gleiche Anordnung wie 4, jedoch zum besseren Verständnis in Draufsicht und in perspektivischer Sicht. Die Figuren zeigen, dass eine Teilschicht leicht durch entsprechendes Umformen eines plattenförmigen Halbzeugs herstellbar ist.
7 zeigt ein Leichtbauelement mit der Struktur der 4 als Sandwichkern. Die untere Deckschicht 19 und die obere Deckschicht 20 sind über die äußeren Quadratflächen 16 mit dem Kern verklebt. Der Abstand zwischen den Deckschichten ist hier gleich der Höhe h des Oktaederstumpfs, gemessen als Abstand gegenüberliegender quadratischer Seitenflächen. Wird das Leichtbauelement mit nur einer Teilschicht hergestellt, dann erfolgt die Verbindung zu den Deckschichten über die äußeren Quadrate 16 und die ”inneren” Quadrate 17 und der Abstand der Deckschichten ist h/2. Es ist auch möglich, 3 oder mehr Teilschichten zu einem Sandwichkern zusammenzufügen. In jedem Fall erfolgt die Verbindung der Teilschichten untereinander und zu den Deckschichten über die Quadrate 16, 17. Der Abstand der Deckschichten ergibt sich dann bei n Teilschichten zu nh/2.
8a zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein Formteil als Teilschicht eines Sandwichkerns. Sowohl das Sechseckflächenelement 25 als auch das Quadratflächenelement 26 haben eine Materialstärke von beispielsweise 0,5 mm. Der gesamte Querschnitt dieses Profils hat dann eine Fläche von 8,7 mm². In 8b ist die Wirkung des Ausdünnens der Mittenbereiche der Flächenelemente gezeigt. Der Querschnitt wurde hier gemäß einem Kreisbogen (bzw. einer Kugelschale) von beiden Seiten soweit ausgedünnt, dass in der Mitte der Flächen nur noch eine Materialstärke von 0,1 mm vorhanden war. Gleichzeitig wurden die Innen- und Außenecken des Oktaederstumpfes mit Radien gebildet, um bewusst eine Materialanhäufung auf den Kanten zu erzeugen, die so ein Raumgitter und Stabwerk darstellen. Dadurch ging der Profilquerschnitt auf 4,2 mm² zurück, was einer Materialersparnis von mehr als 50% ohne wesentliche Beeinträchtigung der Festigkeit entspricht. Allerdings könnte die Ausdünnung 27 auf der verbindenden äußeren Quadratfläche 26 in dieser Form das Verkleben mit anderen Bauteilen (Teil- bzw. Deckschichten) erschweren. Es ist aber ohne weiteres möglich, die Ausdünnung dieses Flächenelements 26 nur von der Innenseite 28 her vorzunehmen.
9 zeigt ein Leichtbauelement mit Innenschichten unterschiedlicher Höhe der Oktaederstümpfe. Die mittlere Schicht hat hier die Höhe 2h, wobei h die Höhe der außenliegenden Schichten ist. Zur Stabilisierung nach außen sind Deckschichten 19, 20 vorgesehen. Die Verbindung zwischen der mittleren Schicht und den äußeren Schichten wird hier durch Zwischenschichten 29 hergestellt. In diesem Fall, wo jeder zweite Oktaederstumpf der Außenschicht mit seinem Verbindungsquadrat auf, ein solches der Innenschicht trifft, können die Zwischenschichten auch wegbleiben.
Bezugszeichenliste

1, 1': Oktaederstumpf
1'': Oktaederstumpfhälfte
2: Oktaeder
3: Ecke des Oktaederstumpfs
4: Kante des Oktaederstumpfs
5: Sechseckfläche des Oktaederstumpfs
6: Quadratfläche des Oktaederstumpfs
6': offenes Quadrat
7: Lücke
11: untere Teilschicht
12: obere Teilschicht
13: seitliche Quadratflächen
15: Sechseckflächen
16: äußere Quadratflächen
17: innere Quadratflächen
18: zusammengesetzter vollständiger Oktaederstumpf
19: untere Deckschicht
20: obere Deckschicht
25: Sechseckflächenelement
26: Quadratflächenelement
27: Ausdünnung
28: Innenseite
29: Zwischenschicht
a: Kantenlänge des Oktaederstumpfs
h: Höhe des Oktaederstumpfs

Claims

Lastaufnehmende Raumgitterstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie Flächen oder Kanten raumfüllend angeordneter archimedischer Oktaederstümpfe umfasst, wobei sich die Oktaederstümpfe mit quadratischen Seitenflächen berühren und über diese verbunden sind.
Struktur nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Schicht von Oktaederstümpfen besteht.
Struktur nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei oder mehreren Schichten von Oktaederstümpfen besteht.
Struktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten eben sind.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Flächenelemente im Mittenbereich ausgedünnt ist.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest teilweise aus stabförmigen Kantenelementen besteht.
Leichtbauelement nach Sandwichart, umfassend zwei Deckschichten mit dazwischenliegender Raumgitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Leichtbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur durch eine Schicht aus Oktaederstümpfen dargestellt wird, die jeweils mit ihren freien Quadraten an Deckschichten gebunden sind.
Leichtbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur durch mindestens zwei raumfüllend angeordnete Schichten aus Oktaederstümpfen dargestellt ist und die Oktaederstümpfe jeweils mit ihren freien Quadratflächen an die Deckschichten gebunden sind.
Leichtbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur durch mindestens zwei Schichten aus Oktaederstümpfen dargestellt wird, wobei die Schichten aus Oktaederstümpfen durch mindestens eine Zwischenschicht getrennt, und die Oktaederstümpfe jeweils mit ihren freien Quadratflächen an die Deckschichten oder die Zwischenschicht gebunden sind.
Leichtbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur durch mindestens drei Schichten aus Oktaederstümpfen dargestellt wird, wobei mindestens eine innenliegende Schicht eine von den äußeren Schichten abweichende Höhe der Oktaederstümpfe aufweist.
Leichtbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass drei Schichten aus Oktaederstümpfen vorhanden sind, von denen die mittlere doppelt so hoch wie die äußeren Schichten ist.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente der Raumgitterstruktur zumindest teilweise in ihrem Mittenbereich ausgedünnt sind.
Leichtbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur durch ein Stabwerk dargestellt wird, dessen Elemente in den Kanten der Oktaederstümpfe liegen.
Leichtbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des Stabwerks zumindest teilweise in ihrem Mittenbereich ausgedünnt sind.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den freien Quadratflächen und den Deck- und Zwischenschichten durch Kleben, Nieten oder Schweißen erfolgt.
Leichtbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf den freien Quadratflächen und/oder auf den Deck- und Zwischenschichten Arretierungshilfen für die Verbindung vorhanden sind.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Deck- und Zwischenschichten aus Metall, Kunststoff oder Pappe bestehen.
Leichtbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff faser-, vlies- oder gewebeverstärkt ist.
Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumgitterstruktur aus Metall, Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Papier oder Pappe besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauelements nach einem der Ansprüche 7 bis 20, umfassend die Schritte – Bereitstellen flächigen Materials für Deck- und Zwischenschichten, – Herstellen von Formteilen als Sandwichkerne, die durch die Flächen halbierter Oktaederstümpfe in raumfüllender Anordnung dargestellt werden, – Verbinden zweier Sandwichkerne untereinander durch Verbinden von Quadratflächen unter Bildung einer Struktur aus ganzen Oktaederstümpfen, – Verbinden dieser Struktur über Quadratflächen mit einer Deckschicht einerseits und einer Deck- oder Zwischenschicht andererseits.
Verfahren nach Anspruch 21, weiter umfassend das Verbinden weiterer Sandwichkerne mit der Struktur vor dem Verbinden mit Deck- oder Zwischenschichten.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, weiter umfassend das Verbinden eines oder mehrerer weiterer Sandwichkerne mit der Zwischenschicht und Verbinden des äußeren Sandwichkerns mit einer Deckschicht.