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Die Erfindung betrifft eine Sandwichanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Sandwichanordnung eine Kernlage und zumindest eine wolbstrukturierte Außenlage hat.
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Aus dem Stand der Technik ist das „Wolbstrukturieren” als eine Umformtechnik bekannt, bei der meist viereckige oder sechseckige dreidimensionale Strukturen in dünnwandige Materialien wie Blech, Kunststofffolie, Pappe und Papier, eingebracht werden. Diese können auch (natur-)faserverstärkt sein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Umformverfahren wie Einprägen, Sicken oder Hydroforming findet beim Wölbstrukturieren ein energieminimierter Selbstorganisationsprozess statt, der besonders material-, energie- und ressourcenschonend ist.
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Ein wölbstrukturiertes Material weist eine erhöhte Biege- und Beulsteifigkeit auf. Verwendung finden Wölbstrukturen daher bereits in unterschiedlichen Branchen und es werden Waschtrommeln, Fassaden und Dachelemente, Reflektoren in der Beleuchtungstechnik, sogar ein dünnwandiges Vakuumrohr des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie Kraftfahrzeugbauteile wie etwa Trenn- oder Rückwände mit wölbstrukturierten Flächen gefertigt.
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Für eine Wölbstruktur, die auf der Viereckform basiert, werden ein dünnwandiger Zylinder und starre Stützringe benötigt, die auf der Zylinderinnenseite eng anliegen. Bei Beaufschlagung des Zylinders mit Außendruck weicht das Material zwischen den Stützringen nach innen aus. Nach Überwindung eines Instabilitätspunktes bilden sich spontan viereckige Wölbstrukturen, was auch Durchschlagen von Beulen genannt wird. Während die umlaufenden, geraden Falten durch Abformen der Stützringe entstehen, bilden sich die versetzten axialen Falten von selbst und zugleich gleichmäßig versetzt. Dieses letzte Phänomen ist die ”Selbstorganisation”.
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Je mehr Freiheit dem Material bei der Selbstorganisation gegeben wird, umso mehr bildet sich die Form eines Wabenmusters, das eine symmetrische Anordnung von Falten aufweist, sodass das dünnwandige Material wesentlich besser isotrop versteift wird.
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Aus der
DE 10 2006 014 049 A1 ist ein Verfahren bekannt, eine Strukturierungsschicht, die eine Zusammensetzung aus einem Verstärkungsmateral und einem vernetzbaren Bindemittel enthält, einer Formung zu unterziehen, durch die eine selbststrukturierte Wölbstruktur gebildet wird. Die Zusammensetzung aus Verstärkungsmaterial und vernetzbarem Bindemittel, die chemisch bis zu einer vollständigen Aushärtung umsetzbar ist, wird hier auch als Prepreg bezeichnet. Das Bindemittel umfasst insbesondere ein Prepolymer oder ein vernetzbares Polymer. Indem die noch nicht ausgehärtete Strukturierungsschicht, sondern das Halbzeug der Selbststrukturierung oder einer entsprechenden Abformung unterzogen wird, kann sich das Verstärkungsmateral, das typischerweise Fasermaterial umfasst, im Verbund mit dem Bindemittel in mikroskopischen Dimensionen umordnen und verschränken, so dass die mechanischen Eigenschaften des fertigen Kunststoffbauteils verbessert werden. Ferner wird ein Kunststoffbauteil mit einer Strukturierungsschicht beschrieben, die Verstärkungsmaterial und Bindemittel enthält und eine durch Selbstorganisation gebildete Wölbstruktur aufweist. Das Kunststoffbauteil ist ein Leichtbauteil mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, das sich durch mechanische und optische Eigenschaften auszeichnet, die mit faserverstärkten Materialien bisher nicht erreicht wurden.
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Ferner bezieht sich der Stand der Technik auf die endlose Erstellung von abgerollten Blechen, die auf eine metallene, mit der gewünschten Struktur versehenen Walze abgewickelt werden, während gleichzeitig eine Gummiwalze von oben gegen die Metallrolle drückt, wobei das Blech in die gewünschte Form „springt”. Hierbei entstehen Wölbstrukturen, die nur eine geringe Verformung im Blech aufweisen. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Erhöhung der Beulsteifigkeit bei besonders dünnen Blechen und oder sprödem Material, z. B. bei hochfesten Blechen.
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So offenbart die
DE 10 2006 002 669 A1 Gleit- und Rollbretter, insbesondere Snowboards oder Skier, die eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht und ferner vorteilhafte Fahreigenschaften, wie einen guten Kantengriff und zugleich auch eine hohe Laufruhe durch Dämpfung von Vibrationsschwingungen erhalten. Das Gleit- oder Rollbrett ist als Sandwich mit einem oder mehreren mehrdimensional räumlich facettenartig oder dreidimensional wellenförmigen oder wölbstrukturierten, dünnen Wänden ausgestattet und auf diese Weise versteift. Dabei kommen vorzugsweise dünnwandige Bleche aus hochfesten Werkstoffen, insbesondere metallische Leichbaulegierungen sowie faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Diese mehrdimensionalen Strukturen entstehen auf Basis eines Beulverfahrens, wobei das dünnwandige Material in einer gekrümmten Gestalt auf seiner Innenseite durch linienförmige Elemente abgestützt und dann von außen mit Druck etwa mit Hilfe einer vergleichsweise dicken Elastomerschicht beaufschlagt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung einer mehrlagigen Leichtbaukonstruktion für Bauteile mit einem Struktur- oder Wabenkern zu schaffen, deren Beplankung eine erhöhte Beulsteifigkeit aufweist, so dass die Materialdicke reduziert und eine Gewichtersparnis erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine entsprechende Sandwichanordnung ist mit den Merkmalen des Anspruchs 7 offenbart.
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Weiterbildungen des Verfahrens und der Sandwichanordnung sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung einer Leichtbaukonstruktion für drei- oder mehrlagige Bauteile mit einem Struktur- oder Wabenkern. Eine Wölbstrukturierung zumindest einer Außenlage der Außenbeplankung wird werkzeuglos direkt auf dem Kern vorgenommen und erhöht die Beulsteifigkeit der Beplankung. Damit kann die Materialdicke reduziert und eine Gewichtersparnis erreicht werden.
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Das Verfahren umfasst das Fertigen der Kernlage als eine formstabile Kernstruktur aus Zellen mit von Wandstrukturen umgebenen offenen Hohlräumen. Auf der Kernlage wird zumindest eine Platte oder ein Blech, die oder das zur Bildung der wölbstrukturierten Außenlage vorgesehen ist, angeordnet. Vorteilhaft ist die Kernlage mit Absauglöchern versehen, um Luft flächendeckend absaugen zu können. Auf der Kernlage wird die Platte zu der wölbstrukturierten Außenlage umgeformt, wobei die Wölbstrukturierung der Außenlage die Kernstruktur abbildet.
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Die Kernlage und die wölbstrukturierte Außenlage werden während des Umformens der Platte auf der Kernlage oder im Anschluss daran beispielsweise mittels eines Klebstoffes verbunden.
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Beim Fertigen der Kernlage können die Zellen derart ausgebildet werden, dass Größe und Form an Kräfte angepasst sind, die für ein aus der Sandwichanordnung fertigbares Bauteil vorherbestimmt worden sind.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Einleger in Bereichen einer Krafteinleitung in der Kernlage angeordnet werden, wobei der Einleger eine Zellstruktur aufweisen kann, deren Zellen kleiner als die Zellen der umgebenden Kernlage sind. So kann die Kernlage ein- oder mehrteilig ausgebildet werden, wobei insbesondere durch Schäumen oder Spritzgießen der ein- oder mehrteiligen Kernlage aus einem Kunststoffmaterial ein großer Freiheitsgrad entsteht, der es erlaubt, die Zellengröße exakt auf den Kraftfluss abzustimmen und ggf. das Design der Außenbeplankung gezielt zu gestalten.
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Die für das Umformen benötigte Umformkraft zur Erzeugung der Wölbstrukturierung der auf der Kernlage angeordneten Platte kann durch Anlegen eines Unterdrucks in der Kernlage beispielsweise mittels einer Vakuumeinrichtung aufgebracht werden. Dazu wird die Kernlage vorteilhaft mit Absauglöchern versehen, um Luft flächendeckend absaugen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann von außen Druck auf die von der Kernlage abgewandte Seite der Platte ausgeübt werden, etwa durch einen Fluiddruck oder Fluidstrahl, insbesondere durch einen Luftstrahl, Wasserdruck, besonders als Wasserstrahl, oder durch einen Stempel, insbesondere einen Druckrahmen mit einer Gummimatte.
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Ein weiterer Verfahrensschritt bezieht sich auf das Anordnen eines großflächigen Einlegers über einen Bereich der Kernlage, der sich über mehrere Zellen der Kernlage erstreckt. Der großflächige Einleger wird zwischen der Kernlage und der Platte vor dem Umformen der Platte zu der wölbstrukturierten Außenlage angeordnet, so dass sich der Einleger nach dem Umformen der Platte in der wölbstrukturierten Außenlage abzeichnet. Mit diesem Einleger kann die Kernlage bereichsweise lokal ausgesteift werden.
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Ferner bezieht sich eine Ausführungsform des Verfahrens darauf, dass zumindest in Bereichen einer Krafteinleitung bzw. besonderer Belastung die Zellen mit einem aussteifenden Material verfüllt werden. Hierfür kommt beispielsweise ein Schaummaterial in Frage, das in ungeschäumtem Zustand in die Zellen der Kernlage eingebracht und nach dem Verbinden der Kernlage mit der wölbstrukturierten Außenlage zum Aufschäumen etwa durch Erwärmen aktiviert werden kann, ohne dass die Wölbstrukturierung der Außenlage verloren geht.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders auch für kleine Stückzahlen, da der Aufwand für die zu verwendenden Werkzeuge gering ist.
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Ein erfindungsgemäße Ausführungsform einer Sandwichanordnung mit einer Kernlage und zumindest einer wölbstrukturierten Außenlage kann durch das obige Verfahren hergestellt werden, wobei die Kernlage eine formstabile Kernstruktur aus Zellen mit von Wandstrukturen umgebenen offenen Hohlräumen ist, und die Wölbstrukturierung der Außenlage die Kernstruktur abbildet. Die Wölbstrukturierung kann als Designmerkmal zur Darstellung bionischer Strukturen an Innen- und Außenflächen eines aus der Sandwichanordnung gefertigten Bauteils genutzt werden. Da das Material der Außenlage nur gering umgeformt wird, bleiben die ursprünglichen Materialeigenschaften und insbesondere auch Oberflächenschutz und -veredelungen aus Eloxal oder Lack weitestgehend erhalten.
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Selbstverständlich können beide Außenlagen der Sandwichanordnung als wölbstrukturierte Außenlagen ausgebildet sein. Die Sandwichanordnung kann noch weitere Lagen umfassen, so ist beispielsweise eine zweischichtige Kernlage denkbar, die unter Umständen unterschiedliche Kernstrukturen aufweisen, die sich jeweils an der entsprechenden Außenlage abbilden. Zwischen solchen Kernlagenschichten kann eine Zentralschicht liegen; alternativ kann auch zwischen der Kernschicht und der Außenlage eine weitere Schicht angeordnet werden, wenn das Verbinden der Kernlage mit der Außenlage erst nach dem Umformen erfolgt. Die Randbereiche der Sandwichanordnung können durch Rollprofile, tiefgezogene Bleche oder geformte Kunststoffteile dargestellt werden. Die Sandwichanordnung muss nicht eben ausgestaltet sein, sondern kann auch ein- oder mehrfach gewölbt erstellt werden.
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Die Kernlage und die Platte(n) zur Bildung der Außenlage(n) können beliebig und unabhängig voneinander aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, beispielsweise aus einem Metallmaterial, insbesondere einem Stahl oder einem Leichtmetallmaterial wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Zellstoff basierten Material insbesondere Karton oder Pappe, oder einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem transparenten oder halbtransparenten Kunststoffmaterial oder einem faserverstärkten Kunststoffverbundmaterial.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kernlage Zellen aufweist, die in Größe und Form an vorbestimmte Kräfte, die an einem aus der Sandwichanordnung fertigbaren Bauteil auftreten, angepasst sind und/oder in Bereichen einer Krafteinleitung einen Einleger mit einer Zellstruktur aufweist, die kleinere Zellen als die Zellen der Kernlage hat. Schließlich kann die Kernlage dabei ein- oder mehrteilig sein und insbesondere aus einem geschäumten oder spritzgegossenen Kunststoff bestehen.
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Zusätzlich kann die Sandwichanordnung einen lokal austeifenden großflächigen Einleger umfassen, der sich über mehrere Zellen der Kernlage erstreckt und zwischen der Kernlage und der wölbstrukturierten Außenlage angeordnet ist, wobei sich der großflächige Einleger in der Außenlage abzeichnet. Der Einleger kann bevorzugt Passelemente zum Einführen in die Hohlräume der Kernlage aufweisen, um ein unverrutschbares Anlegen und Positionieren des Einlegers auf der Kernlage zu ermöglichen.
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Die Zellen der Kernlage können polygonale Querschnitte aufweisen, insbesondere sechseckig bzw. wabenförmig sein, oder runde, elliptische, ovale Querschnitte, organische und/oder unregelmäßige Querschnitte aufweisen.
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So kann zur Herstellung der Sandwichanordnung mit einer Kernlage und zumindest einer wölbstrukturierten Außenlage, die direkt auf dem Kern verformt wird, die Endloswalze entfallen und die damit verbundenen geometrischen Einschränkungen aufgelöst werden, wobei die Größe der gewölbten Kalotten der Außenlage entsprechend der Zellen direkt an den auftretenden Kräften angepasst werden kann.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht von drei Lagen zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sandwichanordnung,
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2 eine perspektivische Ansicht einer aus den drei Lagen aus 1 hergestellten erfindungsgemäßen Sandwichanordnung,
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3 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Kernlage für eine erfindungsgemäße Sandwichanordnung,
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4 eine perspektivische Ansicht einer Sandwichanordnung mit der Kernlage aus 3,
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5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Kernlage für eine erfindungsgemäße Sandwichanordnung,
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6 eine perspektivische Ansicht einer Sandwichanordnung mit der Kernlage aus 5,
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7 eine Draufsicht auf die Kernlage aus 5,
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8 eine perspektivische Ansicht von drei Lagen und eines Einlegers zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sandwichanordnung,
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9 eine perspektivische Ansicht einer aus den drei Lagen und dem Einleger aus
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8 hergestellten erfindungsgemäßen Sandwichanordnung.
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Die Erfindung betrifft ein Sandwichmaterial mit einem Wabenkern und zumindest einer wölbstrukturierten Außenfläche, die direkt auf dem Kern verformt wird.
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Grundlage der Idee ist es, Bleche oder Platten direkt auf einem Strukturkern per Wölbstrukturierung zu verformen und den Kern anschließend oder im gleichen Fertigungsschritt mit dem Blech oder der Platte dauerhaft zu verbinden und so ein Sandwichbauteil zu erzeugen.
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Mit einem maßgeschneiderten formstabilen Kern z. B. einer Metallwabe oder einem anderen Kern mit beliebiger Struktur (z. B. Pappe mit unterschiedlich großen Löchern) wird die Wölbstrukturierung direkt an dem aufzulegenden Blech vorgenommen.
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Bei Betrachtung der 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 sowie 8 und 9 kann das Verfahren zur Herstellung der Sandwichanordnung 1 mit einer Kernlage 2 und zumindest einer wölbstrukturierten Außenlage 3 nachvollzogen werden. Zunächst wird die Kernlage 2 als eine formstabile Kernstruktur aus Zellen 2a mit von Wandstrukturen umgebenen offenen Hohlräumen gefertigt. Die Zellen 2a können dabei polygonale Querschnitte, insbesondere sechseckige bzw. wabenförmige Querschnitte aufweisen, wie in 1, 2, 8, 9 zu sehen, oder runde Querschnitte wie in 3, 4 dargestellt, oder unregelmäßige Querschnitte wie die organisch anmutenden sechseckigen Zellen 2a in 5, 6, 7. Andere Zellquerschnitte wie elliptische, ovale Querschnitte und gewellte Wandungen sind ebenfalls denkbar. Ferner lassen sich beliebige Kombinationen von eckigen Zellen (z. B. 3-, 4-, 5- und 6 Ecke) in verschiedenster Größe erstellen.
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Die Kernlage 2 wird zwischen den Platten 3a angeordnet, bzw. es wird zumindest eine Platte 3a, die zur Bildung der wölbstrukturierten Außenlage 3 vorgesehen ist, auf der Kernlage 2, und dort direkt der Wölbstrukturierung unterzogen, so dass sich die wölbstrukturierte Außenlage 3 auf der Kernlage 2 ausbildet, wobei die Wölbstrukturierung der Außenlage 3 die Kernstruktur abbildet. Zum Wölbstrukturieren der auf der Kernlage 2 angeordneten Platte 3a kann an bzw. in der Kernlage 2 ein Vakuum bzw. ein Unterdruck angelegt werden, durch den die Platte 3a entsprechend der Kernstruktur wölbstrukturiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann von außen ein Druck an die von der Kernlage 2 abgewandte Seite der Platte 3a angelegt werden, etwa durch einen Fluiddruck oder Fluidstrahl, insbesondere einen Luftstrahl, Wasserdruck, Wasserstrahl oder durch einen Stempel, insbesondere durch einen Druckrahmen mit einer Gummimatte.
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Die Kernlage 2 wird mit der wölbstrukturierten Außenlage 3 verbunden, was während des Umformens der Platte 3a auf der Kernlage 2 oder anschließend erfolgt. So kann direkt während des Vorgangs der Wölbstrukturierung oder anschließend durch einen eingebrachten Klebstoff, der innen auf Blech oder auf den Kern appliziert wurde, eine feste Verbindung zwischen dem Kern und den beiden Außenlagen hergestellt werden.
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Die Zellen 2a der Kernlage 2 können alle gleichartig ausgebildet sein, wie der Wabenkern 2 in 1, 2, es können aber auch Zellen 2a gewählt werden, die, wie in 3, 4 zu sehen, aus unterschiedlich dicken und großen Zylindern, angepasst an einen Kraftverlauf im Sandwichbauteil, gefertigt sind. 5 bis 7 verdeutlichen eine Kernlage 2 mit verformter Wabenstruktur, in der die Zellen 2a einer Belastung angepasst ausgelegt sind, und sich dabei in Richtung eines Krafteinleitungsbereichs verjüngen.
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8 und 9 verdeutlichen das Anordnen eines großflächigen Einlegers 4, der sich über mehrere Zellen 2a der Kernlage 2 erstreckt. Der Einleger 4 dient zur Aussteifung von Zonen mit hohem Kraftniveau und weist Passelemente 4a zum Einführen in die Zellen 2a des Wabenkerns 2 auf. Der Einleger 4 kommt somit vor dem Umformen der Platte 3a zwischen der Kernlage 2 und der Platte 3a zu liegen und zeichnet sich nach dem Umformen der Platte 3a, wie in 9 zu sehen, in der wölbstrukturierten Außenlage 3 ab. Während der Rest der Außenlage 3 entsprechend dem Wabenkern 2 wölbstrukturiert ist. So können großflächige Einleger verwendet werden, um über mehrere Wabenzellen hinweg einen Bereich des Bauteiles lokal auszusteifen.
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Die Wölbstruktur kann sowohl ein- als auch beidseitig an dem Sandwich angebracht sein. So ist es auch möglich, die sichtbare Außenfläche so zu gestalten, dass sich die Struktur des Kerns gezielt abzeichnet. Ferner kann, insbesondere für die Außenlagen, denkbar aber auch für die Kernlage, transparentes oder halbtransparentes Material verwendet werden, um ein solches Sandwich z. B. im Dachbereich eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Anders als dargestellt kann die Sandwichanordnung auch noch weitere Lagen umfassen.
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Die Randbereiche der Sandwichanordung können durch Rollprofile, tiefgezogene Bleche oder geformte Kunststoffteile dargestellt werden.
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Die Bleche oder Platten und der Kern können aus verschiedensten Materialien beliebig zusammengestellt werden. Denkbar sind hier unter anderem Stahl, Aluminium, Pappe oder Kunststoff.
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Es ist denkbar, dass in einer Sandwichanordnung in dem Wabenkern mit großem Durchmesser der Zellen Einleger platziert werden, um eine kleinzelligere Struktur in den Bereichen der Krafteinleitung zu erzeugen.
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Ferner können die Wabenzellen im Bereich der Krafteinleitung mit einem Material verfüllt werden, welches die Zellen aussteift.
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Der Innenkern kann ggf. durch einen Schaum weiter stabilisiert werden, der Schaum kann vollflächig oder lokal an Stellen besonderer Belastung eingebracht werden. Denkbar ist ein Aktivieren des Schaumes etwa durch Erwärmen im Lackofen, wie durch die Akustikschäume im Rohbau bekannt. Beim Aktivieren des Schaumes bleibt das wölbstrukturierte Außenblech stabil mit dem Kern verklebt und wird nicht wieder durch den expandierenden Schaum zurückverformt.
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Der Kern kann auch aus einem ein- oder mehrteiligen Kunststoffteil aus Schaum oder aus einem Spritzgussteil bestehen. Hier sind zwar größere Werkzeugkosten zu erwarten, die dann jedoch wegen kleiner Kostenumlage ggf. bei einer größeren Stückzahl ausgeglichen werden können. Hier besteht ein großer Freiheitsgrad, die Zellengröße exakt auf den Kraftfluss abzustimmen und ggf. das Design der Außenhaut gezielt zu gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006014049 A1 [0006]
- DE 102006002669 A1 [0008]
