DE102018107905A1

DE102018107905A1 - Konstruktionselement und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102018107905A1
Application number: DE102018107905.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Schwennen; Vincent Sessner; Jürgen FLEISCHER
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Konstruktionselement umfassend einen Kern (1) mit beidseitig angeordneten Deckschichten (2) sowie ein diese durch den Kern hindurch verbindendes Element (3), wobei das Element und mindestens eine der beiden Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet werden und der Kern direkt an das Element und beide Deckschichten angrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konstruktionselement mit Kernverstärkung für einen Lastangriffspunkt sowie ein Verfahren für dessen Herstellung, gemäß dem ersten bzw. sechzehnten Patentanspruch.
Konstruktionselemente der eingangs genannten Art bestehen aus einem vorzugweise leichten Kern mit beidseitig angeordneten vorzugsweise steifen Deckschichten. Oftmals bilden derart gestaltete Konstruktionselemente plattenförmige oder andere dünnwandige Bauteile. Sie bilden einen leichten und zugleich steifen Schichtverbund, der aufgrund seines Schichtaufbaus aus den beiden Deckschichten und dem dazwischen angeordneten Kern als hybride Sandwichstruktur oder Sandwichbauteile insbesondere im konstruktiven Leichtbau weit verbreitet ist. Typische Einsatzfelder sind in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Land- und Wasserfahrzeugbereich, bei Windkraftanlagen oder auch in der Innenausstattung z.B. von Gebäuden zu finden.
Die Deckschichten sind vorzugsweise aus einem Kohlenstoff- oder Glasfaserverstärkten und Kunststoff- oder Metallhaltigen Basismaterial, während der Kern vorzugsweise eine Schaum- oder Wabenstruktur (z.B. Kunststoffschäume aus z.B. Polyurethane, PVC oder Polystyrol, Metallschäume z.B. Aluminium oder Titan und Röhrchen- oder Honigwaben aus Zellulose, Kunststoffen oder Metallen) aufweist.
Zur Befestigung weiterer Bauteile an den vorgenannten Konstruktionselementen werden meist Lasteinleitungselemente direkt in den Kern entweder nachträglich eingeklebt oder als Einlegeteile bereits im Herstellprozess in den Kern integriert. Eine nachträgliche Integration bedeutet jedoch immer eine Beschädigung der Sandwichstruktur und damit eine strukturelle Schwachstelle gerade in den durch einen Lasteingriff eh schon höher belasteten Befestigungsbereichen. Zudem bestehen die Lasteinleitungselemente aus einem von der Sandwichstruktur abweichenden Material, was wiederum zusätzliche Belastungsspitzen gerade in den Materialübergängen verursachen kann.
Um auch höhere Belastungen an der Stelle der Lasteinleitungsstelle zu ermöglichen sind geometrieoptimierte Lasteinleitungselemente erforderlich. Diese werden als vorgefertigte Bauteile im Rahmen des Herstellungsprozesses des Konstruktionselements vorzugweise des Kerns (z.B. durch Einschäumung) noch vor dem Aufbringen der Deckschichten eingesetzt. Der Stückpreis eines geometrieoptimierten Lasteinleitungselementes ist jedoch für eine Fertigung größerer Stückzahlen, wie insbesondere im Automobilbereich zu hoch.
Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Konstruktionselement der eingangs genannten Art mit Lasteinleitungselementen vorzuschlagen, das die vorgenannten Einschränkungen nicht oder nur in reduzierter Form aufweist und zudem kostengünstig herstellbar ist.
Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Herstellverfahren für ein Konstruktionsverfahren mit einem Lasteinleitungselement vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Konstruktionselement gemäß des ersten und ein Verfahren gemäß dem sechzehnten Patentanspruch gelöst. Hierauf rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Konstruktionselement vorgeschlagen, das einen Kern mit beidseitig angeordneten Deckschichten sowie ein diese durch den Kern hindurch verbindendes Element aufweist.
Ein Grundgedanke der Lösung besteht darin, dass das Element und mindestens eines der Deckschichten als gemeinsame Struktur aus dem gleichen Material oder Materialverbund vorzugsweise aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff vorgesehen sind, dessen Bildung bereits bei der Herstellung des Konstruktionselements erfolgt. Vorzugsweise wird dabei zunächst der Kern des Konstruktionselements gefertigt und als solcher in einem nachfolgenden Gieß- oder Spritzgussverfahrensschritt in die Negativform für das Konstruktionselement eingesetzt. Die Form und Ausgestaltung des verbindenden Elements und der angrenzenden Deckschichtbereiche wird durch den Kern, der bei dem Gieß- oder Spritzgussverfahrensschritt hierzu als ein Teil der Negativform dient, bestimmt. Der Kern verbleibt dann vorzugsweise im Konstruktionselement und grenzt vorzugsweise unmittelbar an die Deckschichten und das mindestens eine verbindende Element an.
Folglich wird zur Lösung der Aufgabe auch ein Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionselements vorgeschlagen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

- Bereitstellen des Kerns und einer Gussform (z.B. für einen drucklosen Guss oder einen Reaktionsguss z.B. eines vorgemischten Zwei- oder Mehrkomponentengussmasse oder Reaktionsharzes), vorzugsweise Spritzgussform (für z.B. eine Spritzgussmaschine), vorzugsweise für das gesamte Konstruktionselement.
- Einlegen des Kerns in die Guss- oder Spritzgussform unter Bildung mindestens eines Hohlraums unter Ausbildung von Negativformen für die Kunststoffstruktur und die beiden Deckschichten. Die Guss- oder Spritzgussform ist zum Einlegen des Kerns zu öffnen, d.h. sie besteht zu diesem Zweck aus mehreren Formteilen. Der mindestens eine Hohlraum ist vorzugsweise zusammenhängend und weist mindestens eine Einguss- oder Einspritzöffnung auf.
- Eingießen oder Einspritzen eines liquid composite moulding (LCM) fähigen Materials, vorzugsweise Kunststoffmaterials, weiter bevorzugt umfassend oder bestehend aus zwei chemischen Komponenten, in den mindestens einen Hohlraum, womit in diesem mindestens eine gemeinsame Kunststoffstruktur ausgebildet wird, die wiederum mit dem Kern das Konstruktionselement bildet. Charakteristisch für die Liquid-Composite-Molding-Verfahren (LCM-Verfahren) ist die Imprägnierung einer trockenen Preform, im vorliegenden Fall der Kern oder ggf. eingelegte Fasern mit einer flüssigen Matrix im Werkzeug und anschließender Aushärtung, wobei das Konstruktionselement als ein monolithischer Werkstoffverbund mit stoffschlüssiger Verbindung zwischen Kern mit den Deckschichten und dem verbindenden Element entsteht.
- Entnehmen des Konstruktionselements aus der Spritzgussform.

Sollen Deckschichten und verbindendes Element, damit auch die gemeinsame Struktur mit Verstärkungsmitteln im vollen Umfang oder nur in Teilbereichen verstärkt werden, sind diese gemeinsam mit oder in Anschluss an das Einlegen des Kerns in den mindestens einen Hohlraum einzulegen. Die Verstärkungsmittel werden mit dem Eingießen oder Einspritzen eines liquid composite moulding (LCM) fähigen Materials durch dieses eingebunden und bilden damit einen Verbundwerkstoff. Die Verstärkungsmittel sind so in der Guss- oder Spritzgussmasse als Matrix eingebunden. Im Rahmen der Erfindung umfassen diese Verstärkungsmittel vorzugsweise insbesondere Fasern und Faserverbunde wie Fasergeflechte, Faserbündel, textile Halbzeuge und/oder sonstige Verstärkungsfasern, vorzugsweise umfassend Aramaid-, Kohlenstoff- oder Glasfasern.
Das vorgenannte Verfahren ergänzt sich um die folgenden weiteren Verfahrensschritte:

- Bereitstellung von Verstärkungsfasern und/oder textilen Halbzeugen.
- Applizieren der Verstärkungsfasern oder der textilen Halbzeuge auf den Kern vorzugsweise vor dem Einlegen des Kerns in die Spritzgussform, wobei die Fasern vorzugsweise in den mindestens einen Hohlraum zumindest teilweise ausfüllen.
- Einspritzen des LCM fähigen Materials in den mindestens einen Hohlraum, wodurch die Fasern in die mindestens eine gemeinsame Kunststoffstruktur eingebunden werden.

Vorzugsweise wird zusätzlich mindestens ein Befestigungselement oder Lasteinleitungselement in das Konstruktionselement integriert, wobei diese vorzugsweise mindestens eine der mindestens zwei Deckschichten durchdringt und somit von außen zugänglich sind. Ein Befestigungselement dient zur Anbindung von Komponenten an das Konstruktionselement. Werden durch diese Komponenten zusätzlich Lasten über ein Befestigungselement auf das Konstruktionselement übertragen, die nicht nur von diesem nicht nur aufgenommen, sondern auch an weitere Komponenten weitergeleitet werden, handelt es sich im Rahmen der Anmeldung um ein mit mindestens einem Befestigungselement ausgestalteten Lasteinleitungselement. Durch eine Integration ergänzt sich das Verfahren um die folgenden weiteren Verfahrensschritte:

- Bereitstellung mindestens eines Befestigungselements, vorzugsweise mit einem Innengewinde oder eines Lasteinleitungselements einer Aufnahme für Befestigungselemente.
- Einlegen des mindestens einen Befestigungselements oder des mindestens einen Lasteinleitungselements als ein Einlegeteil in den Hohlraum, vorzugsweise in unmittelbarem Kontakt zu einer Innenfläche der Spritzgussform oder im Falle eines Elements, das über die Oberfläche des Konstruktionselements hausragen soll, in die Innenfläche der Spritzgussform eingesetzt. Vorzugsweise durchdringt das Lasteinleitungselement oder das Befestigungselement mindestens eine der beiden Deckschichten. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, ein Befestigungselement oder Lasteinleitungselement in dem Hohlraumbereich für das verbindende Element zu positionieren. Eine solche Ausgestaltung des Konstruktionselements sieht vor, dass das Element oder Teile davon durch ein Lasteinleitungselement gebildet ist oder in das Element ein zusätzliches Lasteinleitungselement eingebunden ist.
- Einspritzen des LCM fähigen Materials in den mindestens einen Hohlraum, wodurch das Einlegeteil in die mindestens eine gemeinsame Kunststoffstruktur und damit in das Konstruktionselement eingebunden wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Konstruktionselements sieht ein Lasteinleitungselement vor, das ein Durchgangsloch durch das Konstruktionselement bildet, d.h. sich zwischen zwei Oberflächenbereiche des Konstruktionselements erstreckt. Vorzugsweise ist dieses Konstruktionselement in das verbindende Element eingebunden und wird vorzugsweise wie der Kern als Einlegeteil in die Guss- oder Spritzgussform eingesetzt.
Die beidseitig angeordneten Deckschichten umgeben den Kern auf mindestens zwei Seiten, wobei das verbindende Element die beidseitig angeordneten, vorzugsweise zumindest Deckschichten miteinander verbindet, d.h. zumindest in unmittelbarem oder über Zwischenelemente in mittelbaren Kontakt mit diesen Deckschichten steht. Das verbindende Element durchdringt den Kern, d.h. der Kern umgibt das verbindende Element zwischen den beidseitig angeordneten Deckschichten, radial vorzugsweise von allen Seiten vollständig.
Im einfachsten Fall bilden der Kern mit beidseitig angeordneten Deckschichten einen Schichtstapel, umfassend drei übereinander liegenden planen oder profilierten und dabei strukturierten oder unstrukturierten Ebenen, die vorzugsweise ohne Zwischenräume aufeinanderliegen. Alternative Ausgestaltungen umfassen einen dreidimensionalen Kern, der an mindestens zwei Seiten mit einer Deckschicht versehen ist, die wiederum durch den Kern hindurch durch das Element verbunden ist. Die beidseitige zum Kern orientierte Anordnung der Deckschichten bedeutet folglich nicht zwingend, dass die Anordnung an den bevorzugt gegenüberliegenden Seiten des Kerns erfolgt. Eine weitere Ausgestaltung des Konstruktionselements sieht folglich auch mehr als zwei Deckschichten oder sich um den Kern herum erstreckende Deckschichten vor, wobei das verbindende Element im Rahmen von optionalen Ausgestaltungen der Erfindung auch mehr als zwei Deckschichten miteinander verbindet oder/und eine um den Kern gebogene Deckschicht an zwei Stellen miteinander verbindet.
Ein wesentliches Merkmal des vorgeschlagenen Konstruktionselements besteht darin, dass das Element und mindestens eine der beidseitigen Deckschichten, vorzugsweise aber beide beidseitige Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet werden und der Kern dabei direkt an das Element und beide Deckschichten angrenzt. Vorzugsweise werden das Element und beide Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Struktur, vorzugsweise eine Kunststoffstruktur gebildet, die weiter bevorzugt in einem Herstellungsvorgang gemeinsam hergestellt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die vorgenannte einzige gemeinsame Struktur des Konstruktionselements in ihrer Gesamtheit in einem Herstellungsvorgang erstellt wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die einzige gemeinsame Struktur mehr als ein verbindendes Element aufweist, d.h. das Konstruktionselement mehr als nur ein verbindendes Element, die jeweils beidseitig mit Deckschichten verbunden sind, aufweist. Dabei müssen die die verbindenden Elemente nicht unbedingt die gleichen Deckschichten miteinander verbinden.
Der Kern sowie die Deckschichten und das Element bilden vorzugsweise eine monolithische Verbundkomponente, d.h. der Kern verbindet sich beim Spritzgießen der Deckschichten und des Elements oder der Elemente vorzugsweise stoffschlüssig zum Konstruktionselement. Vorzugsweise sind hierzu der Kern sowie die Deckschichten und das Element aus vorzugsweise einem Kunststoffhaltigen Material (z.B. Faserverstärkten Kunststoff) oder einem Kunststoff.
Vorzugsweise ist der Kern ein Schaumkern, der vorzugsweise in einer Negativform vorgefertigt wurde. In diesem Fall umfasst das vorgenannte Verfahren die folgenden weiteren Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines Ausgangsmaterials zum Schäumen und eines Schäumwerkzeugs mit mindestens einer Ausprägung zur Erzeugung eines Hohlraums im Schaum.
- Einbringen und Ausschäumen des Ausgangsmaterials in das bzw. im Schäumwerkzeug zu einem Schaumkern unter Ausbildung einer Negativform des Elements im Bereich der mindestens einen Ausprägung. Dabei stößt das ausschäumende Ausgangsmaterial an die Innenwandung des Schäumwerkzeugs und bildet damit vorzugsweise eine zusammenhängende geschlossene und/oder dichte Oberfläche des Schaumkernes. Damit wird in einem nachfolgenden Guss- oder Spritzgussvorgang des Deckschichten und des mindestens einen Elements nach vorgenanntem Verfahren ein Eindringen des liquid composite moulding (LCM) fähigen Materials, vorzugsweise Kunststoffmaterials in die Poren des Kernes vermieden.
- Nach der Verfestigung des Schaumkerns durch Aushärtung oder Abkühlung wird dieser aus dem Schäumwerkzeug entnommen und in die vorgenannte Guss- oder Spritzgussform eingesetzt.

Eine weitere Ausgestaltung sieht eine zu einer Symmetrieachse rotationssymmetrische oder diskret rotationssymmetrische Ausbildung des verbindenden Elements vor. Weiter bevorzugt ist die Symmetrieachse orthogonal zumindest zu einer der beiden Deckschichten ausgerichtet.
Der Übergangsbereiche der Kunststoffstruktur insbesondere im Übergang zwischen einer Deckschicht und dem verbindenden Element sind im Sinne einer Spannungsoptimierten Gestaltung vorzugsweise ausgerundet.
Ergänzend oder alternativ werden optional eine oder mehrere Versteifungsrippen an den verbindenden Elementen einer vorgenannten Kunststoffstruktur vorgeschlagen, die weiter bevorzugt in den Bereich der angrenzenden Deckschichten übergehen, d.h. sich vom Element aus in mindestens eine der beiden Deckschichten erstrecken und insbesondere die Steifigkeit insbesondere dieses Übergangsbereichs erhöhen. Die Versteifungsrippen sind vorzugsweise axial und über den Umfang verteilt um die verbindenden Elemente angeordnet.
Eine insbesondere kostengünstige und damit bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, den Kern sowie die angrenzenden Deckschichten und das mindestens eine verbindende Element aus ein und demselben Material, vorzugsweise aus dem LCM fähigen Material, weiter bevorzugt aus einem Kunststoff herzustellen, wobei der Kern gegenüber den anderen Komponenten einen höheren Porenanteil aufweist und mittels eines eigenen Schäumprozesses herstellbar ist.
Mit dem beanspruchten Konstruktionselement und dem Verfahren mit einer seriellen Herstellung zunächst des Kernes lassen sich in vorteilhafter Weise Elemente auch mit komplexen Kernstrukturen herstellen.
Die Erfindung wird anhand von weiteren Ausführungsbeispielen, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden. Es zeigen

1 einen prinzipiellen Querschnitt eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Konstruktionselements, bei dem ein Element und zwei gegenüberliegende Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet wird,
2 einen prinzipiellen Querschnitt eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Konstruktionselements, bei dem ein Element und nur eines der gegenüberliegenden Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet wird,
3a bis c drei beispielhafte Ausgestaltungen des verbindenden Elements für eine beidseitige Anbindung an zwei Deckschichten,
4a und b prinzipielle Querschnitte von beispielhaften Ausführungsbeispielen von Konstruktionselementen mit Lasteinleitungselement sowie
5a bis c prinzipielle Querschnitte von weiteren Ausführungsbeispielen von Konstruktionselementen.

Ein Konstruktionselement, wie in den vorgenannten Figuren prinzipiell dargestellt, umfasst einen Kern 1 mit beidseitig angeordneten Deckschichten 2 sowie ein diese durch den Kern hindurch verbindendes Element 3. Das Element 3 und mindestens eine der beiden Deckschichten 2 werden dabei durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet. Eine gemeinsame Kunststoffstruktur ist in diesem Zusammenhang eine einstückig monolithische Kunststoffstruktur, d.h. vorzugsweise keine zusammengesetzte Kunststoffstruktur. Vorzugsweise grenzt der Kern direkt an das Element und beide Deckschichten an, d.h. ohne Bildung von Zwischenräumen und vorzugsweise ohne Zwischenschichten.
Eine in 1 dargestellte Ausgestaltung eines ersten Ausführungsbeispiels weist eine gemeinsame Kunststoffstruktur auf, die das verbindende Element 3 sowie zwei an je einem Ende, d.h. beidseitig des Elements angeordneten Deckschichten 2 aufweist.
Eine in 2 dargestellte Ausgestaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels weist eine gemeinsame Kunststoffstruktur auf, umfassend das verbindende Element 3 mit einem der beiden Deckschichten 2. Das verbindende Element ragt durch den Kern und berührt die gegenüberliegende Deckschicht vorzugsweise unmittelbar. Die Kontaktstelle 4 zwischen Kern und Deckschicht ist vorzugsweise keine stoffschlüssige Verbindung. Eine Ausgestaltung der Kontaktstelle sieht jedoch eine formschlüssige Verbindung vor, beispielsweise eine Aussparung in der Deckschicht für eine Aufnahme eines Endes des verbindenden Elements.
3a bis c geben drei beispielhafte Ausgestaltungen des verbindenden Elements 3 für eine beidseitige Anbindung an zwei Deckschichten wieder (vgl. 1). Es werden beispielhaft Ausgestaltungen gezeigt, bei denen sich die verbindenden Elemente rotationssymmetrisch oder diskret rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 5 ausgebildet sind. Die einstückig mit diesen verbundenen Deckschichten sind in diesen Figuren nicht weiter dargestellt.
3a gibt eine zylindrische Grundbauform wieder.
3b zeigt eine Ausgestaltung, bei der zwischen den Deckschichten und dem verbindenden Element jeweils ein ausgerundeter Übergangsbereich 6 vorgesehen ist. Damit repräsentiert diese Ausgestaltung eine form- und belastungsoptimiert Form, bei der die Ausrundungen des Übergangsbereichs anstelle einer umlaufenden diskreten Innenkante gemäß 3a eine signifikante Reduzierung von Spannungssingularitäten bewirkt.
3c repräsentiert eine weiter bevorzugte Ausgestaltung mit mindestens einer Versteifungsrippe 7 auf dem verbindenden Element. Vorzugsweise sind mehrere Versteifungsrippen über den Umfang des Elements verteilt, vorzugsweise in gleichen Winkeln zueinander um die Symmetrieachse verteilt angeordnet (diskret symmetrisch um die Symmetrieachse). Vorzugsweise sind die Versteifungsrippen axial zu der Symmetrieachse 5 auf dem verbindenden Element angeordnet. Die Versteifungsrippen dienen nicht nur der Versteifung und Knickfestigkeit des verbindenden Elements einschließlich der Übergangsbereiche, sondern auch in besonders vorteilhafter Weise der Erhöhung der in den Kern exponierten Fläche, die für eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zum Kern zur Verfügung steht. Vorteilhaft ist hierbei auch der im Bereich des verbindenden Elements gegenüber den umgebenden Bereichen erhöhte spezifische Oberflächenanteil zum Kern hin, was insbesondere bei einer stoffschlüssigen Verbindung zu diesem hin die Versagensgefahr durch ein erstmaliges belastungsbedingten Aufreißen dieser Verbindung im Bereich des Elements reduziert.
Stoffschlüssig nennt man im Rahmen dieser Anmeldung eine Verbindung zwischen zwei Fügepartnern, bei denen die Fügepartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Vorzugsweise gehen die Fügepartner entweder stofflich ineinander über (z.B. gradierter Übergang z.B. bei einer Verschweißung) oder es besteht zwischen den beiden Fügepartnern mit oder ohne Zwischenschicht eine adhäsive Bindung (z.B. Klebverbindung, Lötverbindung). Stoffschlüssige Verbindungen sind oftmals nicht lösbare Verbindungen, die sich dann nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
Formschlüssig nennt man im Rahmen dieser Anmeldung eine Verbindung zwischen zwei Fügepartnern, wenn die Fügepartner durch ein Ineinandergreifen von Oberflächenstrukturen miteinander verbunden sind und vorzugsweise dabei gegeneinander fixiert sind. Vorzugsweise lösen sich die Verbindungspartner auch bei fehlender oder unterbrochener Kraftübertragung nicht voneinander.
3c zeigt beispielhaft auch für alle anderen Ausgestaltungen eine optionale axiale Bohrung 8 durch das Element 3 und vorzugsweise durchgehend auch durch beide angrenzenden Deckschichten für die Aufnahme eines Befestigungselements wie z.B. eine Schraube. Mit einer Bohrung dient das verbindende Element folglich als Lasteinleitungselement oder als Teil eines Lasteinleitungselements für die Anbindung von Komponenten an das Konstruktionselement. Die Bohrung ist vorzugsweise koaxial zu dem verbindenden Element, weiter bevorzugt achsensymmetrisch um die Symmetrieachse ausgerichtet. Eine weitere Ausgestaltung sieht anstelle einer durchgehenden Bohrung eine Sacklochbohrung vor.
4a zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Konstruktionselements mit Lasteinleitungselement, bei dem ein Element 3 mit Versteifungsrippen 7 und axialer Bohrung 8 ausgestaltet ist. Beispielhaft auch für andere optionale Ausgestaltungen erstrecken sich die Versteifungsrippen nicht nur über das verbindende Element und die Übergangsbereiche 6, sondern darüber hinaus auch über die beiden Deckschichten 2. Die Bohrung ist durchgehend und dient zur Aufnahme beispielsweise einer Ösenschraube 9, die durch die Bohrung hindurchgeschoben durch eine Schraubenmutter 10 fixiert ist und damit ein Teil des Lasteinleitungselements ist. Die Ösenschraube ist in der Funktion als Teil des Lasteinleitungselements stellvertretend für eine Vielzahl von anderen Lasteinleitungsmitteln zu sehen, beispielsweise umfassend Schrauben, Bolzen, Stifte, Nägel, Rohr- und Spreizelemente oder andere in die Bohrung einschiebbare und fixierbare Verbindungselemente.
4b zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Konstruktionselements mit Lasteinleitungselement, bei dem ein Element 3 mit einem fix eingebundenen Lasteinleitungsmittel 11, im Beispiel eine Gewindestiftaufnahme ausgestaltet ist, die vorzugsweise formschlüssig mit Ankerelementen versehen in die gemeinsame Kunststoffstruktur eingebunden ist. Die Einbindung des Lasteinleitungsmittels 11 erfolgt vorzugsweise als Einlegeteil in der Negativform beim Spritzgussvorgang oder nachtägliches Einlegen und anschließendes Vergießen oder Einpressen in eine vorbereitete Kavität (z.B. vorgenannte Sacklochbohrung) in der Kunststoffstruktur.
5a bis c zeigen prinzipielle Querschnitte von weiteren Ausführungsbeispielen von Konstruktionselementen.
5a zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung, bei der die beiden Deckschichten durch eine gemeinsame Schicht gebildet werden, die C-förmig um den Kern 1 gebogen ist. Das verbindende Element ist nur einseitig mit einer Seite an die Deckschicht angebunden, berührt aber auf der anderen Seite (in der Fig. unten) die Deckschicht. Eine Bohrung 8 verläuft konzentrisch durch das verbindende Element 3 und die angrenzenden Deckschichten, d.h. wie dargestellt zweimal durch die gemeinsame Schicht. Eine zusätzliche Stabilisierung erfährt die Ausgestaltung durch ein Lasteinleitungselement mit Schraubverbindung, die insbesondere geeignet ist, das verbindende Element mit der angrenzenden Deckschicht zu verbinden und zusammenzudrücken, wie in 4a beispielhaft dargestellt.
5b offenbart beispielhaft eine Ausgestaltung, bei der die Ausrichtung des verbindenden Elements und der Bohrung 8 nicht orthogonal zu den Deckschichten 2 angeordnet sind. Im Bereich der beiden Öffnungen der Bohrung weisen in die Kunststoffstruktur eingearbeitete und orthogonal zu der Bohrung ausgeformte Gegenflächen 12 für eine Verschraubung auf.
5c offenbart eine beispielhafte Ausgestaltung, die stellvertretend für weitere, nach dem Grundsatz einer spannungsoptimierten Gestaltung optimierte Ausgestaltungen steht. Die dargestellte Ausgestaltung offenbart eine optimierte Geometrie für eine Belastung rechtwinklig zur Sandwichoberflächen. Sie zeigt einen Aufbau mit Kern 1, zwei Deckschichten 2 sowie eine die Deckschichten verbindenden um die Symmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildete verbindende Element 3 mit zentra- ler Bohrung 8 orthogonal zu den Deckschichten. Die Kraft F wird über ein Lasteinleitungsmittel, im vorliegenden Fall eine durch die Bohrung hindurchgesteckte Gewindestange 13 mit abschließendem Gewindestangenkopf 14 in das Konstruktionselement eingebracht. Die vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse umlaufende Mantelfläche 15 des verbindenden Elements weist eine optimierte Geometrie auf, wobei die Querschnittsfläche des verbindenden Elements die in Richtung der Kraft F geringer ausfällt als im Bereich des Gewindestangenkopfes, d.h. der Zugverankerung. Gegenüber einem zylinderförmigen verbindenden Element (vgl. 1) gemäß kann mit der optimierten Geometrie die Belastbarkeit (maximal in das Konstruktionselement einleitbare Kraft F) um mehr als das Doppelte gesteigert werden.
Weitere nicht weiter dargestellte Ausgestaltungen umfassen zwei Deckschichten, die nicht parallel zueinander angeordnet sind und/oder jeweils eine dreidimensionale Ausgestaltung haben, beispielsweise eine Prägung oder Durchprägung oder eine Oberflächentopographie.
Bezugszeichenliste

1: Kern
2: Deckschicht
3: Verbindendes Element
4: Kontaktstelle
5: Symmetrieachse
6: Übergangsbereich
7: Versteifungsrippe
8: Bohrung
9: Ösenschraube
10: Schraubenmutter
11: Lasteinleitungsmittel
12: Gegenfläche
13: Gewindestange
14: Gewindestangenkopf
15: Mantelfläche

Claims

Konstruktionselement umfassend einen Kern (1) mit beidseitig angeordneten Deckschichten (2) sowie ein diese durch den Kern hindurch verbindendes Element (3), dadurch gekennzeichnet, dass a) das Element und mindestens eine der beiden Deckschichten durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet werden und b) der Kern direkt an das Element und beide Deckschichten angrenzt.
Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) und beide Deckschichten (2) durch eine einzige gemeinsame Kunststoffstruktur gebildet werden.
Konstruktionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) ein Schaumkern ist und/oder die Deckschichten (2) und das Element (3) aus einem Kunststoffhaltigen Material oder einem Kunststoff bestehen.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern eine geschlossene Oberfläche aufweist.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Deckschichten (2) und in das Element (3) gemeinsame textile Halbzeuge und/oder Verstärkungsfasern, vorzugsweise Aramaid-, Kohlenstoff- oder Glasfasern eingebunden sind.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) ein Lasteinleitungselement ist oder in das Element ein zusätzliches Lasteinleitungselement (8-11) eingebunden ist.
Konstruktionselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement (8-11) ein Durchgangsloch (8) durch das Konstruktionselement aufweist.
Konstruktionselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement (8-11) mindestens eine der beiden Deckschichten (2) durchdringt.
Konstruktionselement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement (8-11) eine Aufnahme für Befestigungselemente aufweist.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) rotationssymmetrisch oder diskret rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse (5) ausgebildet ist.
Konstruktionselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (5) orthogonal zumindest zu einer der beiden Deckschichten (2) ausgerichtet ist.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Deckschicht (2) und Element (3) jeweils ein ausgerundeter Übergangsbereich (6) vorgesehen ist.
Konstruktionselement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) mindestens eine Versteifungsrippe (7) aufweist.
Konstruktionselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Versteifungsrippen (7) über den Umfang des Elements (3) verteilt angeordnet sind.
Konstruktionselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (7) sich vom Element (3) in mindestens eine der beiden Deckschichten (2) erstrecken.
Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionselements nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen des Kerns (1) und einer Guss- oder Spritzgussform, b) Einlegen des Kerns in die Guss- oder Spritzgussform unter Bildung mindestens eines Hohlraums unter Ausbildung von Negativformen für die Kunststoffstruktur (2, 3) einschließlich der beiden Deckschichten (3), c) Eingießen oder Einspritzen eines liquid composite moulding (LCM) fähigen Kunststoffmaterials in den mindestens einen Hohlraum, womit in diesem mindestens eine gemeinsame Kunststoffstruktur einschließlich der beiden Deckschichten ausgebildet wird, die wiederum mit dem Kern das Konstruktionselement bildet sowie d) Entnehmen des Konstruktionselements aus der Guss- oder Spritzgussform.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Kern ein Schaumkern ist, umfassend die folgenden weiteren Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Ausgangsmaterials zum Schäumen und eines Schäumwerkzeugs mit mindestens einer Ausprägung zur Erzeugung eines Hohlraums im Schaum sowie b) Ausschäumen des Schäumwerkzeugs unter Ausbildung einer Negativform des Elements (3) im Bereich der mindestens einen Ausprägung.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, umfassend die folgenden weiteren Verfahrensschritte: a) Bereitstellung von Verstärkungsfasern und/oder textilen Halbzeugen, b) Applizieren der Verstärkungsfasern oder der textilen Halbzeuge auf den Kern vor dem Einlegen des Kerns in die Guss- oder Spritzgussform sowie c) Einspritzen des LCM fähigen Materials in den mindestens einen Hohlraum, wodurch die Fasern in die mindestens eine gemeinsame Kunststoffstruktur eingebunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, umfassend die folgenden weiteren Verfahrensschritte: a) Bereitstellung mindestens eines Befestigungselements oder eines Lasteinleitungselements einer Aufnahme für Befestigungselemente, b) Einlegen des mindestens einen Befestigungselements oder des mindestens einen Lasteinleitungselements als ein Einlegeteil in den Hohlraum sowie c) Einspritzen des LCM fähigen Materials in den mindestens einen Hohlraum, wodurch das Einlegeteil in die mindestens eine gemeinsame Kunstoffstruktur und damit in das Konstruktionselement eingebunden wird.