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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Erfindung betrifft einen Mehrschichtverbund umfassend mindestens zwei Schichten, wobei mindestens eine erste Schicht eine flächige strukturierte Schicht mit Versteifungselementen ist und mindestens eine zweite poröse Schicht aus einem porösem metallischen Werkstoff besteht und wobei die Schichten zumindest bereichsweise übereinander angeordnet sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtverbundes.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik ist die
DE 60 2005 001 132 T2 bekannt, welche ein geformtes Laminat und dessen Herstellungsverfahren betrifft. Das Laminat besteht auf einer Faserverstärkungsmateriallage, einer ersten Verbindungsmateriallage, einer porösen Kernmateriallage, einer zweiten Verbindungsmateriallage und einer zweiten Faserverstärkungsmateriallage. Es handelt sich dabei um einen Mehrschichtverbund aus porösen und glatten Schichten.
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Aus dem Stand der Technik ist außerdem die
EP 2 228 213 A1 bekannt, die einen Mehrschichtverbund offenbart, der eine Schicht mit dreidimensionalen Strukturen umfasst. Als poröse Schichten werden Kunststoffschichten offenbart.
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Aus dem Stand der Technik ist die
US 4 137 575 A bekannt. Diese Druckschrift betrifft einen Mehrschichtverbund in Form einer Abdeckplane für Swimmingpools, bei der die Deckfolie strukturiert ist. Als Materialien werden ausschließlich Kunststoffe benannt.
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Aus dem Stand der Technik ist die
GB 1 446 627 A bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Methode des Zusammenbaus einer Wand aus strukturierten porösen Schichten, wobei die Strukturierung als Hilfselement zum Zusammenbau und Zusammenhalt der Schichten dient. Die porösen Schichten sind dabei aus Kunststoff hergestellt.
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Im Stand der Technik sind bisher einzelnen Schichten oder Mehrschichtverbunde mit folgenden Eigenschaften bekannt.
- a) einschichtige poröse Schichten
- b) Mehrschichtverbunde aus porösen und glatten Schichten (beispielsweise Aluminium-Schaum-Sandwich (AFS)
- c) einschichtige glatte Schichten
- d) einschichtige strukturierte Schichten (beispielsweise strukturiertes Blech)
- e) Mehrschichtverbunde aus strukturierten Schichten (beispielsweise Schichtelemente aus strukturierten, wabenförmigen Schichten, siehe eigenes Patent DE 10 2010 036 218 A1 )
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Diese bisher bekannten und in der Technik zum Einsatz kommenden Werkstoffe oder Verbunde weisen herstellungs- und materialbedingt folgende Nachteile auf:
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Einschichtige poröse Schichten weisen ein zwar geringes Gewicht auf, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist, besitzen jedoch aufgrund ihres porösen Charakters eine geringe Stabilität und Festigkeit gegenüber äußerer Beanspruchung. Die Qualität der Strömungseigenschaften poröser Bauteile, wenn an der Oberfläche verwendet, ist im Vergleich zu glatten oder strukturierten Oberflächen reduziert. Des weiteren stellt die Verwendung einschichtiger poröser Schichten eine Herausforderung für die technische Anwendung dar.
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Bekannt ist des weiteren die Verwendung von Mehrschichtverbünden aus porösen Schichten und glatten Schichten. Dieser sogenannte Sandwichbau erhöht die Stabilität bei weiterhin geringem Gewicht. Allerdings ist auch für diese Mehrschichtverbunde die Qualität der Strömungseigenschaften reduziert.
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Im Stand der Technik ist darüber hinaus die Verwendung einschichtig strukturierter Schichten bekannt. Dabei weisen strukturierte Schichten eine höhere Steifigkeit auf als gleich dicke glatte Schichten.
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Bei der Verwendung einschichtig strukturierter Schichten sind die technisch realisierbaren Schichtdicken bedingt durch die Blechstärken und die maximal erreichbare Wabentiefe hinsichtlich der Fertigung und für Leichtbauanwendungen begrenzt.
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Des Weiteren finden bisher Verwendung Mehrschichtverbunde aus mehreren strukturierten Schichten. Ihr Aufbau erhöht die Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Jedoch ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich der Gesamtdicke des Mehrschichtverbundes und damit auch hinsichtlich der maximal erreichbaren Erhöhung der Stabilität. Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Mehrschichtverbund bereitzustellen, der nicht über die Nachteile und Mängel des Standes der Technik verfügt, aber weiterhin eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht und eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
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Gelöst wird die Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Mehrschichtverbund umfassend mindestens zwei Schichten, wobei
- a. mindestens eine erste Schicht eine flächige strukturierte Schicht mit Versteifungselementen ist und
- b. mindestens eine zweite poröse Schicht aus einem porösen metallischen Werkstoff besteht und wobei
- c. die Schichten zumindest bereichsweise übereinander angeordnet sind, wobei die Versteifungselemente als eine dreidimensionale Struktur mit wabenförmiger Grundgeometrie ausgestaltet sind.
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Dabei stellt die erstmalige Kombination von mindestens einer im Sinne der Erfindung strukturierten Schicht und einer porösen metallischen Schicht eine innovative Lösung der Aufgabe dar. Durch die beschriebene Kombination aus strukturierter und poröser Schicht behält der Mehrschichtverbund die mit strukturierten Schichten assoziierten Vorteile wie hohe Stabilität und Festigkeit und kombiniert diese mit einem geringen Gewicht, welches auf den porösen metallischen Werkstoff zurückzuführen ist.
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Insbesondere ermöglicht es die Kombination von strukturierten und porösen Schichten, große Verbunddicken herzustellen, was bisher, insbesondere bei strukturierten Schichten, noch nicht möglich war. Dass solche Mehrschichtverbunde mit großen Verbunddicken und geringem Gewicht weiterhin über hohe Stabilität und große Steifigkeit und große Festigkeit verfügen, war vollkommen überraschend.
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Ein Versteifungselement bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Struktur, die in einen Fügepartner, beispielsweise ein Blech, eingebracht ist und von einem Steg umfasst wird. Das Versteifungselement ist als eine dreidimensionale Struktur mit wabenförmiger (hexagonaler) Grundgeometrie ausgestaltet. Experimente haben gezeigt, dass insbesondere wabenförmige Versteifungselemente eine quasi-isotrope Versteifung einer strukturierten Schicht bewirken, was derart nicht bei Versteifungselementen mit runder Grundgeometrie beobachtet werden kann. Hierdurch kann eine hohe Biegesteifigkeit und/oder Biegefestigkeit der Fügepartner garantiert werden. Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Integration der Versteifungselemente mit wabenförmiger (hexagonaler) Grundgeometrie die Schichten auch nach Fertigstellung schnell und einfach bearbeitbar sind. Es ist beispielsweise möglich, sie nach Fertigstellung zu schneiden, wodurch die Montage und Bearbeitung der Schicht wesentlich vereinfacht ist.
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Bevorzugt ist dabei, dass die flächig strukturierte Schicht regelmäßig angeordnete und/oder unregelmäßig verteilte Versteifungselemente aufweist. Diese Art der Strukturierung führt überraschenderweise zu besonders stabilen Strukturen. Dadurch werden außerdem auch verbesserte Strömungseigenschaften erzielt.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Mehrschichtverbundes liegen vor allem in dem geringen Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität, Steifigkeit und Festigkeit. Durch die Kombination poröser und strukturierter Schichten erfolgt eine besonders gute Energieaufnahme, was letztlich zu einer verbesserten Crashbeständigkeit führt.
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Der poröse Werkstoff ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend metallische Werkstoffe. Besonders bevorzugt sind dabei Aluminiumschäume. Diese porösen Werkstoffe sind besonders geeignet, da u. a. das Gewicht stark reduziert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Gestaltung des Mehrschichtverbundes nach den Bedürfnissen der Anwendung angepasst werden kann. Dabei sind vielfältige Geometrien möglich. Bevorzugt kann sich die poröse Schicht zwischen zwei strukturierten Schichten, befinden, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die strukturierten Schichten einen so großen Abstand zueinander haben, dass die poröse Schicht eine vollständige Schicht zwischen den strukturierten Schichten bildet. Es ist aber ebenso bevorzugt, dass sich die strukturierten Schichten an einigen Punkten berühren und voneinander getrennte Hohlräume bilden, die dann vom porösen Werkstoff ausgefüllt werden.
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Es ist auch bevorzugt, dass eine poröse Schicht zwischen einer strukturierten Schicht und einer weiteren Schicht, die entweder strukturiert oder im Wesentlichen glatt ist, angeordnet ist.
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Im Sinne der Erfindung ist eine glatte Schicht bevorzugt eine Schicht, die eine glatte Oberfläche ohne dreidimensionale Strukturierung aufweist. Eine glatte beziehungsweise im Wesentlichen glatten Schicht bezeichnet bevorzugt eine Schicht, die keine gezielte Formgebung in Form von Versteifungselementen aufweist.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die flächigen strukturierten Schichten aus einem Material bestehen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Stahl, Blech, Kunststoff.
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Diese Materialien haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei die Auswahl des Materials vom Anwendungsbereich des Mehrschichtverbunds abhängt. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die flächigen strukturierten Schichten aus Stahl oder Blech bestehen.
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Besonders bevorzugt ist, dass eine poröse Schicht auf einer strukturierten Schicht angeordnet ist, sodass der Mehrschichtverbund auf einer Seite mit der porösen Schicht abschließt. Somit stellt die poröse Schicht selbst den äußeren Abschluss des Mehrschichtverbundes dar.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform stellt ein strukturierter Mehrschichtverbund dar, bei dem der poröse Werkstoff erst aus einem porösen Halbzeug durch den Aufschäumungsprozess seinen porösen Charakter erlangt. Dabei wird der Werkstoff, aus dem die poröse Schicht hergestellt werden soll, bevorzugt Aluminium, zunächst pulverisiert und mit einem Treibmittel, bevorzugt Ti2H, vermischt und verpresst. Das so erhaltene Ausgangsmaterial kann dann beispielsweise zwischen zwei Schichten, glatt oder strukturiert, eingebracht und durch Wärmebehandlung aufgeschäumt werden, so dass der Raum zwischen den Schichten vollständig ausgefüllt wird. Werden zwei strukturierte Schichten verwendet, die einander mindestens punktweise berühren, kann das Ausgangsmaterial auch in kleinen Portionen in die so entstandenen Hohlräume eingebracht werden. Durch Wärmebehandlung werden dann diese kleinen Materialportionen aufgeschäumt, so dass sich die Hohlräume vollständig ausfüllen, wodurch ebenfalls eine poröse Schicht im Sinne der Erfindung entsteht.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt in der großen Formvielfalt und dem großen Spielraum bei der Gestaltung der Verbundoberfläche. Hierdurch kann der Mehrschichtverbund in zahlreichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen.
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Ein weiterer Vorteil des Mehrschichtverbundes ist, dass dieser mit großen Verbunddicken hergestellt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung den Mehrschichtverbund, wobei die mindestens eine strukturierte Schicht und die eine poröse Schicht zumindest bereichsweise übereinanderliegend miteinander verbunden sind, bevorzugt durch
- • ein Fügeverfahren, besonders bevorzugt Kleben oder Punktschweißen,
- • ein Umformverfahren, besonders bevorzugt Walzen oder Pressen und/oder
- • eine metallische Verbindung, besonders bevorzugt infolge eines Diffusionsprozesses.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass sich alle zum Mehrschichtverbund gehörenden Schichten übereinanderliegend zumindest bereichsweise berühren. Bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Verbindung der Schichten erfolgt durch ein Fügeverfahren, bevorzugt Kleben oder Punktschweißen, und / oder ein Umformverfahren, bevorzugt Walzen oder Pressen, und / oder eine metallische Verbindung infolge eines Diffusionsprozesses. Der Fachmann ist in der Lage zu entscheiden, welches Verfahren oder welche Kombination von Verfahren am besten in der Lage sind, die Verbindung zwischen den infrage kommenden Schichten herzustellen.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass die Struktur mindestens einer strukturierten Schicht durch einen Umformprozess, bevorzugt Walzen oder Pressen, und/oder beim Aufschäumen eines Halbzeugs zum porösen Werkstoff, bevorzugt durch Wärmebehandlung, entsteht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtverbundes nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend die Schritte
- d. Bereitstellung der mindestens ersten strukturierten Schicht, bevorzugt durch Walzen oder Pressen,
- e. Bereitstellung der mindestens einen porösen Schicht bestehend aus einem porösen metallischen Werkstoff, bevorzugt durch Aufschäumen eines Halbzeugs, bevorzugt durch Wärmebehandlung,
- f. Verbindung der strukturierten Schicht und der porösen Schicht, sodass die Schichten zumindest bereichsweise übereinander angeordnet sind, bevorzugt durch Fügen, Umformen oder eine metallische Verbindung.
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Für den Fall, dass der poröse metallische Werkstoff zwischen zwei strukturierte Schichten eingebracht werden soll und sich diese beiden strukturierten Schichten berühren, bevorzugt an den Stegen, stellt es eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens dar, dass es weiterhin folgende Schritte umfasst:
- g) Einbringen das gepressten und mit Treibmittel versehenen Ausgangsmaterials, bevorzugt Aluminium, für den Aufschäumungsprozess
- h) Aufschäumen des Ausgangsmaterials durch Wärmebehandlung
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Es kann eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sein, dass die Strukturierung einer abschließenden, strukturierten Schicht während des Aufschäumprozesses erreicht wird.
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Dabei ist bevorzugt, dass das Aufschäumen des Halbzeugs vor, nach oder während der Strukturierung der ersten Schicht erfolgt und/oder das Aufschäumen des Halbzeugs vor, nach oder während der Verbindung der beiden Schichten erfolgt.
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Ein Vorteil des Herstellungsverfahrens im Sinne der Erfindung ist die große Freiheit bei der Prozessführung. Das Verfahren selbst ist überraschend einfach und kann individuell je nach den Anforderungen an den herzustellenden Mehrschichtverbund variiert oder angepasst werden.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Herstellung von großen Materialvolumina relativ günstig ist. Dies ist von Bedeutung, der Mehrschichtverbund zum Beispiel in der Automobilproduktion oder zur Herstellung von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden soll.
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Die Mehrschichtverbünde gemäß der Erfindung können besonders bevorzugt für die Herstellung von Automobilen, insbesondere E-Fahrzeugen, Nutzfahrzeugen (vor allem Klein- und Großtransporter), Schienenfahrzeuge, Schiffe, Boote aber auch Pipelines und Windkraftanlagen verwendet werden. Außerdem sind Anwendungsgebiete im Luft- und Raumfahrtbereich sowie in der Rohrbauleitung und Energieversorgung und -transport denkbar, da die besonderen Eigenschaften des Mehrschichtverbundes gemäß der Erfindung sich vor allem für diese hohen Anforderungen eignen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung an Beispielen und Figuren illustriert werden, ohne jedoch dabei auf diese beschränkt zu sein.
- 1 zeigt verschiedene Varianten des Mehrschichtsverbundaufbaus.
- 1a stellt ein Mehrschichtverbund dar, welcher aus zwei strukturierten Schichten besteht, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen diesen zwei strukturierten Schichten befindet sich eine poröse Schicht.
- 1b zeigt ebenfalls zwei im Wesentlichen parallel angeordnete strukturierte Schichten mit einer porösen Schicht in der Mitte. Der Unterschied zu 1a liegt in der Anordnung der strukturierten Schichten. Während in 1a die strukturierten Schichten in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, liegen in 1b beide strukturierten Schichten in der gleichen Ausrichtung vor.
- Die 1d und 1e zeigen jeweils einen Mehrschichtverbund mit einer glatten Schicht und von einer strukturierten Schicht, wobei diese im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet wurden. Zwischen der glatten und der strukturierten Schicht befindet sich in beiden Fällen eine poröse Schicht. Die 1d und 1e unterscheiden sich dabei lediglich durch die Orientierung der strukturierten Schicht.
- Die 1f und 1g zeigen einen Mehrschichtverbund, der nur aus zwei Schichten besteht. Hier ist jeweils eine strukturierte Schicht gezeigt, an welche eine poröse Schicht anschließt. Die 1f und 1g unterscheiden sich durch die Orientierung der strukturierten Schicht.
- Die 1h und 1i zeigen Mehrschichtverbunde, die aus drei Schichten bestehen, wobei die strukturierten Schichten so eng aneinander liegen, dass diese sich zumindest punktweise berühren. Dadurch entstehen Hohlräume, wie in 1h gezeigt, entweder zwischen den wabenförmigen Strukturen, oder wie in 1i gezeigt, zwischen den Stegen zweier strukturierter Schichten. In diesen Hohlräumen befindet sich der poröse Werkstoff. Im Sinne der Erfindung ist diese Anordnung von porösen Werkstoffen in Hohlräumen auch als „Schicht“ zu verstehen.
- Die 2 bis 4 zeigen unterschiedliche Herstellungsvarianten des Mehrschichtenverbunds.
- In 2 (links) wird gezeigt, wie die Strukturierung durch Walzen eingebracht wird. Dabei ist der poröse Werkstoff schon als poröse Schicht zwischen zwei im Wesentlichen glatten Schichten angeordnet und die Schichten werden anschließend durch Walzen strukturiert.
- In 2 (rechts) befindet sich ein poröser Ausgangsstoff (z. B. ein Halbzeug) zwischen zwei im Wesentlichen glatten Schichten. Durch Walzen und anschließende Wärmeeinwirkung wird zum einen die Struktur in die glatten Schichten gebracht und zum anderen das Halbzeug zum porösen Werkstoff aufgeschäumt.
- 3 zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren. Hier wurden kleine Portionen aus Ausgangsmaterial in die Hohlräume zweier strukturierter Schichten eingebracht. Durch Wärmebehandlung werden diese kleinen Materialportionen aufgeschäumt, so dass sich die Hohlräume ausfüllen und die poröse Schicht entsteht.
- In 4 wird gezeigt, wie die Strukturierung während des Aufschäumprozesses erfolgt. Hier wird durch Wärmeeinwirkung ein poröser Werkstoff aufgeschäumt.
