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Die Erfindung betrifft ein Sandwichblech aufweisend mindestens zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den Deckschichten angeordnete Kunststoffschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichblechs, bei welchem durch Verbinden der metallischen Deckschichten mit der Kunststoffschicht zunächst ein Verbund bestehend aus äußeren metallischen Deckschichten und Kunststoffschicht hergestellt wird. Daneben betrifft die Erfindung auch vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Sandwichblechs.
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Sandwichbleche werden verwendet, um bei nahezu identischen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Vollmaterialblechen ein geringeres Gewicht zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der Kombination von metallischen Deckschichten und mindestens einer zwischen den Deckschichten angeordneten Kunststoffschicht kann ein Sandwichblech auch komplementäre Eigenschaften bereitstellen, z. B. bei geringem Gewicht eine sehr gute, lokale Steifigkeit, bei gleichzeitig sehr guter Schalldämpfungseigenschaft. Um weitere Gewichteinsparpotentiale zu erzielen, kann beispielsweise die Dicke der Metallschichten weiter verringert werden oder beispielsweise auch ein anderer metallischer Werkstoff für die Metallschichten verwendet werden. Bei zunehmender Dicke der Kunststoffschicht ist das Gewichteinsparpotential durch verringerte Wanddicken der metallischen Deckschichten jedoch begrenzt.
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Aus der japanischen Patentanmeldung
JP 08177207 A ist ein Sandwichblech bekannt, bei welchem die Kunststoffschicht durch einen Kunststoffschaum bereitgestellt wird, in welchen Entgasungskanäle eingebracht werden, um nach der Herstellung des Verbundblechs ein Delaminieren oder ein Verziehen des Sandwichblechs durch auftretende Gase zu verhindern. Eine signifikante Gewichtsreduktion ist durch die Entlüftungskanäle nicht vorgesehen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sandwichblech zur Verfügung zu stellen, welches neben den bisher bekannten Eigenschaften zusätzlich ein deutlich reduziertes Gewicht aufweist. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines sehr leichten Sandwichblechs sowie Verwendungen des Sandwichblechs vorzuschlagen.
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Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch ein Sandwichblech dadurch gelöst, dass die Kunststoffschicht periodisch angeordnete und in eine Richtung parallel zueinander verlaufende Hohlräume aufweist, welche mit einem Material mit einer geringeren Dichte als die der Kunststoffschicht gefüllt sind, wobei die gesamte Querschnittsfläche der Hohlräume mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20%, besonders bevorzugt mindestens 25% der gesamten Querschnittsfläche der Kunststoffschicht des Sandwichblechs aufweist.
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Im Gegensatz zu dem bekannten Verbundblech mit Entlüftungskanälen wird durch das erfindungsgemäße Sandwichblech durch eine signifikante Reduktion der Gesamtmasse an Kunststoff das Gesamtgewicht deutlich reduziert. So beträgt die Gewichtsreduzierung mindestens 10% gegenüber einem Sandwichblech mit einer Kunststoffschicht aus einem Vollmaterial. Vorzugsweise wird eine größere Gewichtseinsparung dadurch erreicht, dass der Anteil der Querschnittsfläche der Hohlräume an der Gesamtquerschnittsfläche der Kunststoffschicht des Sandwichblechs mindestens 20% oder mindestens 25% beträgt. Eine Obergrenze des Anteils der Querschnittsfläche der Hohlräume an der Gesamtquerschnittsfläche der Kunststoffschicht des Sandwichblechs wird derzeit bei etwa bei 70% gesehen. Die Gewichtsreduktion aufgrund des reduzierten Volumenanteils der Kunststoffschicht ist entsprechend groß. Als Material mit einer geringeren Dichte als die der Kunststoffschicht kann entweder Luft, ein anderes Gas aber auch ein anderer Kunststoff, beispielsweise ein schaumartiger Kunststoff, verwendet werden.
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Die Querschnittsflächen der einzelnen Hohlräume können dabei beliebig geformt sein. Vorzugsweise weisen die Hohlräume eine nahezu kreisrunde Querschnittsfläche auf. Die dadurch entstehenden Hohlräume haben dann eine zylindrische Form. Allerdings sind auch rechteckige, dreieckige oder andere mehreckige Querschnittsflächen der Hohlräume denkbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sandwichblechs weist die Kunststoffschicht eine Dicke von 0,5 mm bis 10 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 9,0 mm, vorzugsweise von 2,0 mm bis 8,0 mm auf und besteht zumindest teilweise aus einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoff. Thermoplastische Kunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die Hohlräume beispielsweise durch ein Erwärmen des thermoplastischen Kunststoffes bereitgestellt werden können. Bei duroplastischen Kunststoffen können die Hohlräume bevorzugt bei noch nicht vollständig vernetztem Kunststoff in die Kunststoffschicht eingebracht werden.
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Sollen neben einer Gewichtsreduktion gleichzeitig die Steifigkeitseigenschaften des Sandwichblechs optimiert werden, sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sandwichblechs die Hohlräume des Sandwichblechs zumindest teilweise mit einem schaumartigen Kunststoff gefüllt. Der schaumartige Kunststoff kann beispielsweise andere Festigkeitseigenschaften als die bereits vorgesehene Kunststoffschicht aufweisen und entweder zur weiteren Schalldämpfung oder zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit beitragen.
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Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichblechs dadurch gelöst, dass die Hohlräume des Sandwichblechs durch Einführen von mindestens einer Dornstange in die Kunststoffschicht des Sandwichblechs erzeugt werden, wobei der Kunststoff zumindest teilweise durch die Dornstange aus dem Bereich zwischen den metallische Deckschichten verdrängt wird.
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Durch dieses einfache Verfahren kann beispielsweise ein erwärmter thermoplastischer Kunststoff aus dem für die Hohlräume vorgesehenen Bereich der Kunststoffschicht verdrängt werden, so dass entsprechende Hohlräume entstehen. Die Querschnittsform der Dornstange ist an die gewünschte Querschnittsfläche der Hohlräume angepasst. Die Querschnittsfläche der Dornstange kann beispielsweise kreisrund, elliptisch, mehreckig oder rechteckig sein. Bei duroplastischen Kunststoffen besteht die Möglichkeit eine Dornstange dann einzusetzen, wenn die Vernetzung des duroplastischen Kunststoffs noch nicht vollständig abgeschlossen ist und die Kunststoffschicht anschließend auszuhärten bzw. vollständig zu vernetzten.
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Um die Hohlräume besonders prozesssicher und präzise in das Sandwichblech einzubringen, wird eine Mehrzahl an Dornstangen unter Verwendung eines Führungssystems in die Kunststoffschicht des Sandwichblechs eingeführt. Das Führungssystem gewährleistet, dass die Dornstangen exakt planparallel zu den metallischen Deckschichten des Sandwichblechs eingebracht werden. Um die Verdrängung des Kunststoffes aus der Kunststoffschicht zur Bereitstellung der Hohlräume zu erleichtern, wird über Mittel zum Absaugen der aus den Hohlräumen verdrängte Kunststoff abgesaugt. Die Mittel zum Absaugen des aus den Hohlräumen verdrängten Kunststoffes können beispielsweise in dem Führungssystem der Dornstangen integriert sein.
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Werden die Hohlräume in eine thermoplastische Kunststoffschicht eines Sandwichblechs eingebracht, werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung der Hohlräume im Sandwichblech vorzugsweise temperierte Dornstangen verwendet. Die temperierten Dornstangen erwärmen damit den mit der Dornstange in Kontakt tretenden Kunststoff, so dass dieser leichter aus der Kunststoffschicht des Sandwichblechs getrieben werden kann.
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Sandwichbleche, welche neben einem geringeren Gewicht zusätzlich einen geringeren Abfall an Steifigkeit aufweisen, können dadurch bereitgestellt werden, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer weiteren Ausgestaltung nach dem Erzeugen der Hohlräume in der Kunststoffschicht des Sandwichblechs ein schaumartiger Kunststoff in die Hohlräume, vorzugsweise unter Verwendung der Dornstangen zur Erzeugung der Hohlräume, eingebracht wird. Die Hohlräume müssen hierzu nicht vollständig mit einem schaumartigen Material bzw. Kunststoff ausgefüllt werden, sondern können auch nur teilweise gefüllt sein. Durch die Verwendung eines Schaums wird gewährleistet, dass in jedem Fall eine Gewichtsreduktion gegenüber einem thermoplastischen Vollmaterial erreicht wird.
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Ein besonders rationales Verfahren zur Herstellung von Sandwichblechen mit parallel verlaufenden Hohlräumen in der Kunststoffschicht kann dadurch bereitgestellt werden, dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens durch Kalandrieren der metallischen Deckschichten mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten Kunststoffschicht ein bandförmiges Sandwichblech hergestellt wird und von einer Seitenkante des Sandwichblechs aus in das Sandwichblech Dornstangen zur Erzeugung von Hohlräumen in das Sandwichblech eingeführt werden, wobei die Erzeugung der Hohlräume am bandförmigen Sandwichblech erfolgt. Anstelle einer Mehrzahl an Dornstangen kann selbstverständlich auch eine einzige Dornstange verwendet werden, bei Verwendung einer Mehrzahl an Dornstangen ist jedoch die Produktivität größer.
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Die so hergestellten Sandwichbleche weisen aufgrund ihrer geringeren Kunststoffmasse ein verringertes Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Sandwichblechen auf. Darüber hinaus sind die Steifigkeitseigenschaften der Sandwichbleche nicht wesentlich verschlechtert, so dass insbesondere die Verwendung der Sandwichbleche im Flugzeugbau, Schienen- und Kraftfahrzeugbau von Vorteil ist. Beispielsweise ist vorstellbar, dass insbesondere für Schienenfahrzeuge oder Transportfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, ein Sandwichblech mit einer bis zu 10 mm dicken Kunststoffschicht verwendet wird, die erfindungsgemäße Hohlräume aufweist, um bei möglichst geringem Gewicht beispielsweise Teile einer Lastaufnahmevorrichtung bereitzustellen.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1a), b) ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sandwichblechs sowohl in einer schematischen perspektivischen Darstellung als auch in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie Ib,
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1c) schematisch dargestellt die verschiedenen Formen der möglichen Querschnittsflächen der Hohlräume des Ausführungsbeispiels des Sandwichblechs,
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2a), b), c), d) ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Einbringen von Hohlräumen in ein Sandwichblech unter Verwendung einer Dornstange in einer schematischen Schnittansicht,
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3 in einer schematischen Schnittansicht eine Dornstange zum Einbringen von zusätzlichem Material in die Kunststoffschicht des Sandwichblechs,
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4 und 5 das Einbringen des zusätzlichen Materials in den Hohlraum der Kunststoffschicht sowie das fertige Verbundblech in einer schematischen Schnittansicht,
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6 die Herstellung eines bandförmigen Verbundblechs und das Einbringen der Hohlräume in Bandrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittansicht und
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7 die Herstellung eines bandförmigen Verbundblechs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und das Einbringen der Hohlräume quer zur Bandrichtung in einer schematischen Schnittansicht.
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Zunächst zeigt 1a) in einer perspektivischen Darstellung ein Sandwichblech 1 aufweisend zwei metallische Deckschichten 2 und eine Kunststoffschicht 3, in welcher parallel zueinander verlaufende Hohlräume 4 eingebracht wurden. In den Hohlräumen 4 ist vorzugsweise Luft oder ein anderes Gas vorgesehen, welches eine geringere Dichte als die Kunststoffschicht 3 aufweist. Durch die Hohlräume wird das Kunststoffmaterial in seinem Volumen pro Flächeneinheit Sandwichblech deutlich reduziert, so dass insgesamt das Sandwichblech 1 ein reduziertes Gewicht aufweist.
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Aufgrund der Anordnung der Hohlräume 4 können die Festigkeitseigenschaften des Sandwichblechs 1 durch die Größe der Hohlräume und dem damit eintretenden Gewichtsverlust eingestellt werden. Die Querschnittsfläche der Hohlräume 4 an der Gesamtquerschnittsfläche der Kunststoffschicht 3 beträgt mindestens 10%, vorzugsweise 20% bzw. besonders bevorzugt mindestens 25%. Bei einem Anteil der Querschnittsfläche der Hohlräume im Verhältnis zur Gesamtquerschnittsfläche der Kunststoffschicht von insgesamt 70% wird in etwa die technische Grenze gesehen, bei welcher das Sandwichblech noch stabil ist. Die Stabilität des Sandwichbleches kann beispielsweise dadurch verbessert werden, dass die Hohlräume 4 durch ein weiteres Material 5 aufgefüllt wird, welches ebenfalls eine geringere Dichte als die Kunststoffschicht 3 selbst aufweist. Hierzu können beispielsweise schaumartige Kunststoffe verwendet werden.
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1b) zeigt nun den Schnitt IB durch das Ausführungsbeispiel aus 1a). Deutlich zu erkennen ist, dass der Flächenanteil der Hohlräume 4 an der Gesamtfläche der Kunststoffschicht 3 nicht unerheblich ist und wie bereits oben ausgeführt, mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20% oder mindestens 25% beträgt. Das Volumen der Kunststoffschicht 3 und damit das Gewicht der Kunststoffschicht 3 ändert sich in dem gleichem Maße, so dass das Sandwichblech 1 deutlich leichter wird. Insbesondere bei größeren Dicken der Kunststoffschicht, wirkt sich der Gewichtsverlust vom absoluten Gewicht her stärker aus. In dem in 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Hohlräume 4 eine kreisrunde Querschnittsfläche auf. Wie in 1c) dargestellt, können aber auch dreieckige, sechseckige, mehreckige, quadratische oder rechteckige aber auch elliptische Querschnittsflächen vorgesehen sein.
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Die Kunststoffschicht 3 der Sandwichbleche weist eine Dicke von 0,5 mm bis 10 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 9,0 mm, vorzugsweise von 2,0 mm bis 8,0 mm auf und kann zumindest teilweise aus einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoff bestehen. Duroplastische Kunststoffe vernetzen chemisch und können daher nur in nicht vollständig vernetztem Zustand mit Hohlräumen versehen werden. Thermoplastische Kunststoffe dagegen härten thermisch aus, indem sie erkalten. Durch die Erwärmung des thermoplastischen Kunststoffes ist es möglich, diesen wieder in einen plastischen Zustand zu versetzen, so dass beispielsweise Hohlräume 4 durch temperierte Dornstangen in eine Kunststoffschicht eines Sandwichblechs eingebracht werden können. Die metallischen Deckschichten 2 bestehen vorzugsweise aus Stahl, können aber auch aus anderen Materialien, beispielsweise Aluminiumlegierungen bestehen.
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Die Verwendung einer Dornstange zur Erzeugung der Hohlräume 4 zeigen die 2a), b), c), d) zu verschiedenen Zeitpunkten in einer Schnittansicht. In 2a) ist zu erkennen, dass die Dornstange 6 über ein Führungssystem 7 so angeordnet ist, dass diese in die Kunststoffschicht 3 des Sandwichblechs 1 eindringen kann. Der Kunststoff der Kunststoffschicht 3 ist entweder noch nicht vollständig vernetzt, sofern die Kunststoffschicht 3 aus einem Duroplast besteht oder wird über die Dornstange 6 selbst, beispielsweise eine temperierte Dornstange, oder anderweitig erwärmt, so dass ein thermoplastischer Kunststoff plastisch wird.
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In 2b) ist zu erkennen, wie die Dornstange nun über das Führungssystem 7 in die Kunststoffschicht getrieben wird und über das Absaugmittel 8 der verdrängte Kunststoff abgesaugt und nach außen geführt wird. Bei Rückführung der Dornstange 6 erfolgt, wie 2c) zeigt, der Abtransport des ausgetriebenen Kunststoffmaterials 3' aus der Vorrichtung, so dass, wie in 2d) dargestellt, im Verbundblech 1 ein Hohlraum 4 verbleibt und der überschüssige Kunststoff abtransportiert worden ist. In den 2a) bis 2d) ist jeweils genau eine Dornstange 6 dargestellt. Es handelt sich jedoch hier um eine Seitenansicht, so dass denkbar ist, dass eine Mehrzahl an Dornstangen 6 in vordefiniertem Abstand gleichzeitig in das Sandwichblech 1 eingebracht werden und der Kunststoff der erzeugten Hohlräume aus dem Sandwichblech 1 über Absaugmittel 8 entfernt wird.
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Die 3, 4 und 5 zeigen in einer schematischen Schnittansicht zunächst eine Dornstange 6, welche einen Führungskanal 9 aufweist (3), durch welchen zusätzlich ein Material 5 mit einer geringeren Dichte in den gerade erzeugten Hohlraum 4 appliziert werden kann. Einen entsprechenden Vorgang zeigt 4 in einer schematischen Darstellung. Die Dornstange 6 wird nachdem der Kunststoff aus dem Hohlraum 4 ausgebracht worden ist, zurückgezogen. Gleichzeitig wird ein weiteres Material 5 in den zurückbleibenden Hohlraum 4 appliziert. Dieses weitere Material 10 ist vorzugsweise ein schaumartiger Kunststoff, welcher eine geringere Dichte als der Kunststoff der Kunststoffschicht aufweist. Im Ergebnis bleibt ein Sandwichblech 1 zurück, welches in den erzeugten Hohlräumen 4 zumindest abschnittsweise ein weiteres Material 10 enthält, welches gewährleistet, dass trotz reduziertem Gewichts gute mechanische Eigenschaften bereitgestellt werden, beispielsweise eine höhere Steifigkeit als ohne das zusätzliche Material 10.
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6 zeigt nun schematisch die kontinuierliche Herstellung eines Sandwichblechs bestehend aus zwei metallischen Deckschichten 2 und einer zwischen den metallischen Deckschichten vorgesehenen Kunststoffschicht 3. Die metallischen Deckschichten sowie die Kunststoffschicht werden von Abwickelhaspeln 11, 12, 13 abgewickelt und in einen Kalandrierwerk 14 miteinander zu einem bandförmigen Sandwichblech verbunden. Die zusätzlichen Walzen 15 gewährleisten, dass die Verbindung zwischen Kunststoffschicht 3 und den metallischen Deckschichten 2 ein hohes Haftvermögen aufweist. In 6 ist gleichzeitig ein Führungssystem 7 sowie eine Dornstange 6 dargestellt. Die Dornstange wird von der Stirnseite des jeweiligen Bandes in das Verbundblech eingebracht. Anschließend wird das bandförmige Verbundblech zugeschnitten und die Dornstangen 6 wiederum gezogen, so dass nach Entfernen des zugeschnittenen Sandwichblechs die Dornstangen 6 und das Führungssystem 7 für das erneute Einbringen von Hohlräumen in das bandförmige Sandwichblech bereitstehen.
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Eine andere Variante ist in 7 schematisch dargestellt, wobei das hergestellte bandförmige Sandwichblech 1 abschnittsweise von der Seitenkante mit einer Mehrzahl an Dornstangen 6 eingebracht werden, so dass die Hohlräume 4 senkrecht zur Erstreckung des Bandes verlaufen. Hierdurch kann ein Hohlräume aufweisendes bandförmiges Sandwichblech bereitgestellt werden, welches auf ein Coil aufgewickelt werden kann.
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Hierdurch kann ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welches auf wirtschaftliche Art und Weise Hohlräume aufweisende Sandwichbleche herstellen kann, bei welchem auch die Hohlräume zumindest teilweise mit einem weiteren Material gefüllt werden können, ohne die Produktivität deutlich absinken zu lassen. Durch den kontinuierlichen Herstellprozess ist die Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit des Herstellverfahrens besonders hoch.
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Die so hergestellten Sandwichbleche zeichnen sich nicht nur durch ein geringeres Gewicht aus, sie können auch mit nahezu identischen mechanischen Eigenschaften versehen werden, wie Sandwichbleche mit einer aus einem Vollmaterial bestehenden Kunststoffschicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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