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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abschirmvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Abschirmvorrichtungen bekannt, wobei thermischen Abschirmvorrichtungen insbesondere im Automobilsektor aufgrund der Beschränkungen u.a. hinsichtlich eines jeweils verfügbaren Platzes, einer dreidimensionalen Raumform und möglichst geringem zusätzlichem Gewicht sowie der hohen Stückzahlen eine besondere Bedeutung zukommt. Dementsprechend sind zahlreiche Ansätze für derartige Abschirmvorrichtungen als schützende Bauteile im Bereich einer Verbrennungskraftmaschine und eines anschließenden Abgasstranges und entsprechende Herstellungsverfahren bekannt.
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Aus der
DE 199 39 482 A1 ist zudem ein Ansatz bekannt, eine thermische Abschirmvorrichtung in ihrer Funktionalität zu erweitern, indem sie zusätzlich mit der Funktionalität einer akustischen Absorption ausgerüstet wird. Hierzu weist eine Vorrichtung ein der betreffenden Schallquelle zugewandtes mikroperforiertes Lochblech als eine metallische Lage auf. Die Löcher weisen Durchmesser von weniger als 1,5 bis 0,7 mm auf. An das Lochblech schließt sich zum eigentlichen Hitzeschild als äußerer Lage hin ein Hohlraum als Resonanzraum an.
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Dieser Hohlraum wird nach dem Stand der Technik auch mit hochtemperaturbeständigen Zwischenlagen gefüllt. Hier werden Lagen aus Glas- oder Silikatfaser-Vlies oder dünnen Isolationsschichten in Form sog. Isolationspapiere vorgeschlagen.
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Es hat sich jedoch in der Herstellung von Vorrichtungen der genannten Art u.a. das Problem ergeben, dass die vorstehend genannten Materialien den hohen Umformungsgraden zur Herstellung einer jeweils erforderlichen Hitzeschild-Geometrie nicht gewachsen sind. Dadurch können Risse in der metallischen Lage entstehen, oder es werden im Zuge von Faltungen Perforationen verdeckt, so dass als Folge auch eine erwünschte akustische Wirkung zumindest deutlich geschwächt und verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die beschriebenen Defizite bekannter Abschirmvorrichtungen mit einer äußeren Lage und einer inneren Lage hinsichtlich einer mechanischen Beanspruchbarkeit, Haltbarkeit sowie der thermischen und akustischen Abschirmwirkung im Wesentlichen zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Perforation und/oder Noppung nur in einem akustisch wirksamen Bereich der Abschirmvorrichtung in ihrer einbaufertigen Endform bzw. Geometrie vorgesehen ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Lochung, Perforation und Mikroperforation sowie alle sonstigen Verfahren zum Einbringen von Löchern und/oder Schlitzen in eine Lage als synonyme Begriffe verwendet. Sie werden je nach Anforderung an eine Perforation insbesondere hinsichtlich zu realisierender Durchmesser dem Anwendungsfall entsprechend ausgewählt. Wie auch Noppungen in allen bekannten Ausführungsformen stellen diese Umformungen des Materials Schwächungen dar, durch die im Rahmen eines weiteren Umformungsprozesses die genannten Schäden und funktionale Beeinträchtigungen entstehen können.
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Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren dadurch aus, dass eine Perforierung und/oder Noppung eines Blechs auf einen Bereich festgelegt und beschränkt wird, an dem sich an einem fertig hergestellten Bauteil besondere thermische und/oder akustische Eigenschaften gezielt hervorrufen und einstellen lassen. In Abkehr von bisherigen Verfahren wird erfindungsgemäß also nicht länger auf bereits kontinuierlich perforiertes und/oder genopptes BlechMaterial zur Schaffung einer akustisch und thermisch wirksamen Abschirmvorrichtung zurückgegriffen. Damit wird insbesondere erreicht, dass sich selbst bei hohen Umformgraden der Bleche nach bekannten Verfahren ergebende negative Effekte von gerissenem Material und/oder durch Materialüberlappungen und Auffaltungen in akustisch wirksamen Bereichen wieder verschlossener Perforationen und/oder Noppungen sicher vermeiden lassen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach wird eine Perforierung und/oder Noppung auf mehrere individuell für eine jeweilige Abschirmvorrichtung vorab festzulegende Bereiche bzw. Regionen beschränkt. Diese Bereiche werden je nach Anforderung unter Verwendung von verschiedenen oder gleichen Modulen zur Perforation und/oder Noppung erstellt. Unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Erfindung werden hierzu noch exemplarisch Möglichkeiten beschrieben.
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Vorzugsweise wird einer Fertigung ein Vorbereitungsschritt vorgeschaltet, in dem mindestens ein akustisch wirksamer Bereich ermittelt wird, in dem eine Perforation und/oder Noppung auch nach Abschluss einer Formgebung einen technischen Effekt zeigt, ohne im Zuge des Formgebungsverfahrens eine Beschädigung des Bauteils zu bewirken und nachträgliche Perforationen und/oder Noppungen technisch realisierbar sind. Eine ggf. auch nachträglich einzubringende Perforation und/oder Noppung wird dann gegenüber bekannten Fertigungsansätzen vom Umfang her insgesamt reduziert und gezielt nur auf den mindestens einen, vorab identifizierten, Bereich des i.d.R. dreidimensional geformten Bauteils angewendet.
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In einen Vorbereitungsschritt fließen auch Vorgaben in das Design der Noppen und/oder Perforation sowie deren Herstellungsverfahren ein, wie z.B. eine erwünschte thermische und/oder akustische Abschirmleistung sowie mechanische Haltbarkeit und/oder gezielter Beeinflussung einer Eigenfrequenz des fertigen Bauteils. Durch die Beeinflussung der Eigenfrequenz eines Bauteils wird eine deutliche Minderung der Gefahr einer Verstärkung von äußeren Anregungen und eigener Resonanzphänomene erreicht, die andernfalls neben erhöhter Schallabstrahlung auch bis zu einer Zerstörung des betreffenden Bauteils führen können. Eigenfrequenzen des fertigen Bauteils müssen über oder außerhalb eines Anregungsprofils der Umgebung liegen. So müssen Eigenfrequenzen z.B. für Automobilanwendung in einem motornahen Bereich größer als 300Hz sein.
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Vorzugsweise werden verschiedene Ansätze zur gezielten Schallabsorption u.a. durch Variation von Lochdurchmesser, Lochabstände und/oder Lochanordnungsmuster für eine Perforierung und/oder entsprechend für eine Noppung über die Platinen-Geometrie hinweg durch Verwendung verschiedener Module umgesetzt. So werden unterschiedliche Perforationen und/oder Noppungen als Bereiche verschiedener Lochgrößen und/oder Lochanordnung und/oder Lochanzahl auf eine definierte Fläche, z.B. einem cm2, eingebracht. Die unterschiedlichen und individuellen Perforationen sind vorteilhafterweise modular in den Formprozess integrierbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich die Perforation an den Formgebungsprozess in Form einer selektiven Laser-Lochung an. Diese Art der Lochung wird dann nur in bestimmten Bereichen vorgenommen.
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Die Verwendung einzelner Module von Perforations- und/oder Noppenmustern ermöglicht eine hohe Flexibilität in der konkreten Ausgestaltung. Die Module werden je nach vorheriger Auslegung kassettenartig für ein Presswerkzeug zusammengestellt und sind somit für jede Geometrie individuell kombinierbar und erstellbar, oder sie sind zumindest im Fall einer selektiven Laser-Lochung weitgehend frei programmierbar.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: ein Fertigungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung und
- 2: eine Darstellung eines Schnitts durch ein Ausführungsbeispiel;
- 3a bis 3c: Darstellungen von Schnitten durch weitere Ausführungsbeispiele und
- 4: ein Fertigungsverfahren nach dem Stand der Technik.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz zur Herstellung von auch akustisch wirksamen Wärmeabschirmblechen an Brennkraftmaschinen dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf andere technische Bereiche möglich ist.
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Die Figurenfolge von 4 stellt ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines akustisch wirksamen Hitzeschildes nach dem Stand der Technik dar. Ein bereits existierendes Bauteil zur thermischen Abschirmung wurde in seinem Funktionsumfang durch die zusätzliche Eigenschaft einer akustischen Absorption erweitert. Dies geschah durch Verwendung von genoppten und / oder perforierten metallischen Außenlagen des Hitzeschildes und unter Verwendung von hochtemperaturbeständigen Zwischenlagen mittels Vlies-Material z.B. aus Glas-, Basalt- oder Silikatfasern und Vliesen oder dünnen Isolationsschichten aus sog. „Isolationspapier“.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird als Ausgangsmaterial ein Glatt-Blech 1 von einer Rolle 2 abgewickelt. In einem darauffolgenden Schritt wird das Blech 1 als kontinuierliche Bahn mit Kalanderwalzen 3 perforiert und/oder genoppt. Anschließend wird das vorbereitete Blech 1' entweder wieder auf eine Speicherrolle 2' aufgewickelt, um als Vorprodukt gespeichert zu werden. Das vorbereitete Blech 1 'kann dem weiteren Fertigungsprozess in der angedeuteten Art und Weise aber auch direkt zugeführt werden. Beim Durchlaufen eines weiteren Fertigungsprozesses erfolgt in mindestens einer Presse 4 neben einem Zuschnitt auch eine dreidimensionale Formgebung hin zu einem fertigen Bauteil als Abschirmvorrichtung 5. Dabei werden in Bezug auf eine spätere Einbaulage mindestens eine äußere Lage Ä und eine innere Lage I miteinander verbunden.
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Bekannte Abschirmvorrichtungen 5 bestehen am Ende aus mindestens einer Metalllage, typischerweise sind sie aber 3-lagig aufgebaut, wovon die äußere Lage Ä und die innere Lage I als Metalllagen ausgebildet sind. Je nach gewünschter primärer Wirksamkeit, also thermische und/oder akustische Abschirmwirkung, können auch mehr als drei Lagen verwendet werden. Die Metalllagen dienen vorwiegend der mechanischen Stabilität des fertigen Bauteils. Durch Noppen und/oder Perforieren der Metalllagen wir zusätzlich die akustische Wirksamkeit für einen Frequenzbereich optimiert. Eine in 4 nicht weiter dargestellte Zwischenlage Z besteht aus einer weiteren Metalllage oder einem thermisch - akustischen Absorber. Thermische - akustische Absorber sind für den Anwendungsfall hochtemperaturbeständige Materialien, wie Vliese oder Isolationspapiere. Diese werden je Anwendungs- und Temperaturfall ausgewählt aus einer Materialgruppe, die z.B. Glasvlies, chemisch optimiertes Glasvlies, Silikat-Vlies und sog. Isolationspapier umfasst.
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Die Abbildung von 1 zeigt ein Fertigungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß 4 entfällt die vorab separat stattfindende durchgehende Perforierung und/oder Noppung des Glatt-Blechs 1. Vielmehr wird hier ein modular an eine jeweilig herzustellende Abschirmvorrichtung 5 angepasster Fertigungsprozess durchlaufen. In diesem Fertigungsprozess ist eine Perforation und/oder Noppung nur in einem akustisch wirksamen Bereich der Abschirmvorrichtung 5 vorgesehen, wie er in ihrer einbaufertigen Endform bzw. Geometrie abgebildet ist. Die Prozesse des Perforierens und/oder Noppens, Umformens und Zuschneidens können an oder in der Presse 4 integriert ausgeführt werden. Dazu wird ein jeweiliges Werkzeug-Design flexibel und individuell auf die zu fertigende Abschirmvorrichtung 5 angepasst. In eine Platinen-Geometrie 6 werden verschiedene Module 7 für unterschiedliche Perforationen und/oder Noppungen angeordnet, die sich an bestimmten Regionen 8 des späteren Bauteils 5 wiederfinden werden.
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Der Durchmesser der Löcher in der Lochblende ist den jeweiligen Frequenzbereichen der Geräusche angepasst. Er beträgt jedoch zumindest teilweise zwischen 0,1 bis 4 mm. Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung dieser Durchmesser die höchste Schallabsorption in dem gewünschten Frequenzbereich von unter 200 Hz bis ca. 10 kHz erzielt wird, der grob der menschlichen Hörkurve entspricht. Damit können für Fahrzeug-Insassen hörbare Geräusche von den meisten Lärmquellen unter Verwendung von Lochblenden der genannten Art wirksam abgeschirmt werden.
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Weitere, fertigungstechnisch einfach zu beherrschende Maßnahmen zur gezielten Beeinflussung der Schallabsorptionswirkung bestehen darin, bei den Perforationen und/oder Noppungen die jeweiligen Lochdurchmesser, Lochabstände und/oder Lochanordnungsmuster unterschiedlich zu gestalten und/oder zu variieren. Dadurch lässt sich einerseits die Wärmeabschirmwirkung, andererseits aber auch die Schallabsorptionswirkung in einzelnen Regionen gezielt in der jeweils gewünschten Weise beeinflussen.
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Beide Ansätze werden über die Platinen-Geometrie 6 durch Verwendung verschiedener Module 7 umgesetzt. Eine entsprechende akustische Auslegung erfolgt unter Berücksichtigung weiterer Vorgaben, wie z.B. eine mechanische Haltbarkeit, Eigenfrequenzen und Herstellbarkeit des fertigen Bauteils 5 vorab in einem Engineering-Prozess. Auf Basis des vorab u.a. durch Impedanzrohr-Messungen oder Alpha-Kabinen-Messungen ermittelten Absorptionsverhaltens einzelner und kombinierter Materialien wird eine den Anforderungen entsprechende Verteilung der Perforationen, der Noppung und der verwendeten Materialien mittels rechnergestützter Simulation für eine gezielte akustische Optimierung in einem oder mehreren geforderten Frequenzbereichen oder einer einzelnen Frequenz oder ohne gezielte Anforderung allgemein ermittelt.
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Damit stehen im Gegensatz zu bekannten Bauteilen 5 je Anwendungsfall an einem fertigen Bauteil 5 als Erzeugnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens am Ende Flächen O ohne Perforation und/oder Noppung vorbestimmten Regionen 8 mit Perforation P gegenüber, wie am fertigen Bauteil 5 in 1 angedeutet. Ein innerer Aufbau des fertigen Bauteils 5 ist einem Anwendungsfall entsprechend unter optimierter Auswahl von Materialien und Anzahl von Schichten ausgestaltet.
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Hierzu zeigt die Abbildung von 2 exemplarisch eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Bauteils 5, welches nach einem vorstehend unter Bezug auf 1 beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. An einem in einer Einbausituation einer Wärme- und Schallquelle zugewandten Innenblech 9 als innerer Lage I grenzt eine |[HA1] Fläche P mit Perforation als vorbestimmte Region 8 jeweils an Flächen O ohne Perforation an. Eine Füllung 10 ist zwischen Innenblech und Außenblech angeordnet. Nicht weiter dargestellte Randbereiche der Bleche und Anschraubpunkte bleiben von der Füllung zwischen Blechlagen 9, 11 ausgespart. Nach außen hin wird dieser Schichtaufbau durch ein entsprechend geformtes Glattblech 11 an der Außenseite als äußere Lage Ä abgeschlossen. Sollte die hier im Ausschnitt dargestellte vorbestimmte Region 8 an dem ansonsten fertiggestellten Bauteil 5 zu schwer zugänglich sein, so wird die Perforation an den Formgebungsprozess anschließend in Form einer selektiven Laser-Lochung realisiert.
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Die Abbildungen der 3a bis 3c zeigen Darstellungen von Schnitten durch weitere Ausführungsbeispiele. Dabei weist in 3a noch das Innenblech 9 eine oberflächliche Struktur mit Noppen N auf. Eine Zwischenschicht Z ist als Füllung 10 ausgebildet. Die äußere Lage Ä ist als Glattblech 11 ausgeführt. Diese Lage kann in einem nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel auch fehlen, so dass die Füllung 10 dann direkt in Kontakt mit einer Oberfläche eines thermisch zu isolierenden Bauteils bei Reduzierung einer Schallabstrahlung gebracht wird.
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Im Unterschied dazu sind in 3b sowohl die innere Lage I als auch die äußere Lage Ä mit einer Noppen N aufweisenden Struktur versehen. Und in einem abschließenden Ausführungsbeispiel von 3c ist der Aufbau gemäß 3b noch um Perforationen P an dem mit Noppen N versehenen Innenblech 9 erweitert. Dabei können als Ausschnitte der 3a bis 3c Teil einer dreidimensionalen Form einer Abschirmvorrichtung 5 als fertiges Bauteil sein.
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Das Endprodukt eines derartigen Verfahrens ist ein individuell für einen Anwendungsfall ausgelegtes und erstelltes Bauteil, welches unter Beachtung von Anforderungen zur Temperaturreduzierung, akustischen Wirksamkeit, mechanischen Eigenschaften, Herstellbarkeit und Haltbarkeit hergestellt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Glatt-Blech
1' vorbereitetes Blech
- 2
- Rolle
2' Speicherrolle
- 3
- Kalanderwalze
- 4
- Presse
- 5
- Abschirmvorrichtung als fertiges Bauteil
- 6
- Platinen-Geometrie eines Blechabschnitts vor jeder Verformung
- 7
- Modul für bestimmte Perforation und/oder Noppung
- 8
- bestimmte Region des späteren Bauteils 5
- 9
- Innenblech
- 10
- Füllung
- 11
- Glattblech an der Außenseite
- Ä
- äußere Lage
- I
- innere Lage
- O
- Flächen ohne Perforation oder Noppung
- P
- Perforation
- N
- Noppung
- Z
- Zwischenlage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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