DE10323367B4

DE10323367B4 - Load-transferring component with auxetic structure and layer composite of this

Info

Publication number: DE10323367B4
Application number: DE2003123367
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Obrecht Hans
Original assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Universitat Dortmund; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: DE10323367A1; EP1678390A1; WO2004104315A1

Abstract

Bauelement, bei dem wenigstens eine Oberfläche des Bauelementes eine auxetische Gitterstruktur aufweist, die durch eine Materialbearbeitung auf die Oberfläche des Bauelementes aufgebracht und mit dieser verbunden oder oder in die Oberfläche eingebracht ist, mit Stegen, die Hohlräume umschließen, wobei jeder der Hohlräume ein Zellinneres ausbildet und die Gitterstruktur wenigstens in zwei Dimensionen, wenigstens parallel zur Oberfläche eine negative Poissonzahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein lastabtragendes Bauelement ist und die Gitterstruktur einseitig offene Zellen ausbildet oder Zellen ausbildet, die optisch durch eine Deckschicht geschlossen sind, welche nicht bzw. allenfalls unwesentlich zu einer Lastabtragung beiträgt.Component in which at least one surface of the component has an auxetic lattice structure, which is applied to the surface of the component by means of material processing and is connected to or or introduced into the surface, with webs which enclose cavities, each of the cavities forming a cell interior and the lattice structure has a negative Poisson number at least in two dimensions, at least parallel to the surface, characterized in that the component is a load-bearing component and the lattice structure forms cells that are open on one side or cells that are optically closed by a cover layer that are not or at most insignificantly contributes to load transfer.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Bauelement, bei dem wenigstens eine Oberfläche des Bauelementes eine auxetische Gitterstruktur aufweist, die durch eine Materialbearbeitung auf die Oberfläche des Bauelementes aufgebracht und mit dieser verbunden oder oder in die Oberfläche eingebracht ist, mit Stegen, die Hohlräume umschließen, wobei jeder der Hohlräume ein Zellinneres ausbildet und die Gitterstruktur wenigstens in zwei Dimensionen, wenigstens parallel zur Oberfläche eine negative Poissonzahl aufweist.The invention relates generally to a device in which at least one surface of the device has an auxetic grating structure, which is applied by a material processing on the surface of the device and connected to this or introduced into the surface, with webs which enclose cavities, each the cavities form a cell interior and the grid structure has a negative Poisson's ratio at least in two dimensions, at least parallel to the surface.

Ein gattungsgemäßes Bauelement als Filter mit durchgängigen Öffnungen ist bekannt aus der Veröffentlichung US 2003/0042176 A1 . Auxetische Strukturen werden weiterhin beschrieben in der Veröffentlichung ALDERSON, A.: A triumph of lateral thought, Chemistry & Industry, 1999, S. 384–390.A generic device as a filter with continuous openings is known from the publication US 2003/0042176 A1 , Auxetic structures are further described in the publication ALDERSON, A .: A triumph of lateral thought, Chemistry & Industry, 1999, pp. 384-390.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Möglichkeit, derartige Bauelemente bzw. Tragstrukturen zu gestalten, insbesondere um eine Verstärkung/Versteifung zu erreichen. Hierbei wird unter dem Begriff eines Bauelementes ein Element mit einer jeglichen möglichen Form verstanden, beispielsweise stabförmige Tragelemente, z. B. gerade oder gekrümmte Träger mit üblichen Querschnitten, wie z. B. Doppel-T-Träger oder Stäbe und Rohre mit beliebigen Querschnitten sowie auch flächige Bauelemente, wie beispielsweise Platten, insbesondere Bleche, und Schalen. Diese Bauelemente können aus beliebigen Materialen, je nach Anforderung, hergestellt sein, insbesondere aus Metallen, Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen. Ebenso sind beliebige Größenordnungen der Bauelemente möglich, z. B. vom Mikrometerbereich bis in den Bereich mehrerer hundert Meter.The invention further relates to the possibility of designing such components or support structures, in particular in order to achieve reinforcement / stiffening. Here, the term of a component is understood to be an element having any possible shape, for example rod-shaped supporting elements, for. B. straight or curved support with conventional cross sections, such. As double-T-beams or rods and tubes with any cross-sections, as well as sheet-like components, such as plates, especially sheets, and trays. These components can be made of any materials, as required, in particular of metals, plastics or composite materials. Likewise, any size of the components are possible, for. B. from the micrometer range to the range of several hundred meters.

Übliche Materialien, die für derartige Bauelemente eingesetzt werden, wie z. B. Metalle, Kunststoffe, mineralische Werkstoffe, etc. verhalten sich unter Belastung so, dass beim Einwirken einer Zugkraft sich das Material in Richtung der Kraft streckt und sich senkrecht dazu verjüngt, wohingegen sich beim Ausüben einer Druckkraft das Material in Richtung der Kraft staucht und senkrecht dazu eine Verdickung entsteht. Das negative Verhältnis von Längenänderung zu Dickenänderung wird als Poisson-Verhältnis oder Poisson-Zahl bezeichnet. Das oben beschriebene normale Verhalten von Materialien wird durch eine positive Poissonzahl charakterisiert, die für die meisten Feststoffe im Bereich von 0,2 bis 0,4 liegt.Usual materials that are used for such devices, such. As metals, plastics, mineral materials, etc. behave under load so that when exposed to a tensile force, the material stretches in the direction of force and tapers perpendicularly, whereas when applying a compressive force, the material in the direction of the force and upsets perpendicular to a thickening arises. The negative ratio of change in length to change in thickness is called the Poisson ratio or Poisson's number. The normal behavior of materials described above is characterized by a positive Poisson's number which ranges from 0.2 to 0.4 for most solids.

Es sind Materialien bekannt, die ein genau umgekehrtes Verhalten zeigen, d. h., die bei Anlegen einer Zugspannung sich in Zugrichtung strecken jedoch senkrecht dazu eine Verdickung erfahren. Derartige Materialien werden durch eine negative Poissonzahl charakterisiert und als sogenannte auxetische Materialien bezeichnet.Materials are known which show exactly the opposite behavior, i. h., Which stretch when pulling a tension in the pulling direction but experience perpendicular to a thickening. Such materials are characterized by a negative Poisson number and referred to as so-called auxetic materials.

Ebenso ist es bekannt, aus üblichen Materialien mit einer positiven Poissonzahl Zellgitterstrukturen aufzubauen, die ähnlich einer Wabenstruktur sind, wobei jedoch die gesamte Zellgitterstruktur auxetisches Verhalten zeigt, d. h., sich bei Anlegen von Zugspannungen in deren Richtung als auch senkrecht dazu vergrößert.It is also known to construct cell grid structures similar to a honeycomb structure from conventional positive Poisson number materials, but the entire cell grid structure exhibits auxetic behavior; h., Increases when applying tensile stresses in their direction and perpendicular thereto.

Aus der EP 0 820 858 A1 ist als ein Bauelement, beispielsweise eine Konstruktionsplatte in Sandwichbauweise bekannt, bei der zwischen zwei lastabtragenden Deckschichten mittels eines Harzes ein Kern in Wabenstruktur eingebettet ist. Bezüglich dieser Wabenstruktur ist in dem Dokument erwähnt, dass es sich auch um eine auxetische Wabenstruktur handeln kann. Die Herstellung derartiger Konstruktionsplatten in Sandwichbauweise ist jedoch aufwendig und weist insbesondere bei den Verklebungen der einzelnen Schichten potentielle Schwachstellen auf, d. h., bei einer Belastung kann es zu einer Delamination der Schichten kommen. Ebenso sind Sandwichelemente nur sehr begrenzt umformbar und gekrümmte Formen/Schalenelemente können nur schwer hergestellt werden.From the EP 0 820 858 A1 is known as a structural element, for example a construction plate in sandwich construction, in which a core in honeycomb structure is embedded between two load-bearing cover layers by means of a resin. With respect to this honeycomb structure, the document mentions that it may also be an auxetic honeycomb structure. However, the production of such construction panels in sandwich construction is complicated and has potential weak points, in particular in the bonding of the individual layers, ie, a stress can lead to a delamination of the layers. Likewise, sandwich panels are very limited formable and curved forms / shell elements can be made difficult.

Um das Verhältnis von aufnehmbarer Last zum Eigengewicht zu erhöhen, ist es weiterhin z. B. aus DAROOKA, D. K.; JENSEN, D. W.: Advanced Space Structure Concepts and their Development, American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA-2001-1257, 2001 bekannt, Zylinder mit einer sogenannten Iso-Gitterstruktur zu verwenden, bei der die einzelnen Gitterzellen durch Stege oder Rippen ausgebildet werden, von denen je drei ein gleichschenkliges Dreieck bilden. Eine derartige Gitterstruktur kann zur Versteifung auf eine zylindrische Oberfläche aufgetragen werden oder als offene zylindrische Gitterstruktur verwendet werden.In order to increase the ratio of absorbable load to its own weight, it is still z. From DAROOKA, D.K .; JENSEN, DW: Advanced Space Structure Concepts and their Development, American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA-2001-1257, 2001 discloses using cylinders with a so-called iso-lattice structure in which the individual lattice cells are formed by webs or ribs, of which three each form an isosceles triangle. Such a grid structure can be applied to a cylindrical surface for stiffening or used as an open cylindrical grid structure.

Aufgabe der Erfindung ist es, Bauelemente und Schichtverbunde allgemeiner Art zur Verfügung zu stellen, bei denen auf einfache Art und Weise, insbesondere bei verringertem Gewicht, eine weitere Verbesserung der mechanischen Festigkeits-, Trag- und Schwingungseigenschaften erreicht werden.The object of the invention is to provide components and laminations of a general nature, in which a simple manner, in particular at a reduced weight, a further improvement of the mechanical strength, support and vibration properties can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauelement ein lastabtragendes Bauelement ist und die Gitterstruktur einseitig offene Zellen ausbildet.This object is achieved in that the device is a load-bearing component and the lattice structure forms unilaterally open cells.

Erfindungsgemäß ist die auxetische Gitterstruktur einseitig offen ausgebildet, d. h. sie bildet offene Zellen. Im Sinne der Erfindung werden die Zellen als offen bezeichnet, selbst wenn Sie optisch durch eine Deckschicht oder Dekorschicht geschlossen sind, diese Deck- bzw. Dekorschicht jedoch nicht bzw. allenfalls unwesentlich zu einer Lastabtragungswirkung beiträgt.According to the invention, the auxetic lattice structure is open on one side, ie it forms open cells. For the purposes of the invention, the cells are referred to as open, even if they are optically closed by a cover layer or decorative layer, this cover or decorative layer but not or at most slightly contributes to a load transfer effect.

Durch eine auxetische Gitterstruktur, die wenigstens auf/an/in einer Oberfläche bzw. innerhalb des Bauelementes angeordnet ist, wird eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Tragfähigkeit, Steifigkeit und der Schwingungseigenschaften eines derartigen Bauelementes erreicht, da die auxetischen Eigenschaften der Gitterstruktur am Bauelement dem unter Beanspruchung ansonsten auftretenden typischen Deformationsverhalten durch interne Versteifung entgegenwirkt. Es kann somit ein bestehendes Bauelement mit bestimmtem Gewicht in seinen Fähigkeiten zur Lastabtragung verbessert werden oder aber bei gleichen Fähigkeiten zur Lastabtragung ein Bauelement mit geringerem Gewicht verwendet werden.By means of an auxetic lattice structure which is arranged at least on / on / in a surface or within the component, an improvement in the mechanical properties, in particular the bearing capacity, rigidity and the vibration properties of such a component is achieved, since the auxetic properties of the lattice structure on the component counteracts the otherwise typical deformation behavior due to internal stiffening under stress. Thus, an existing device with a certain weight can be improved in its capacity for load transfer or, for equal load transfer capacities, a component with a lower weight can be used.

Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil, bevorzugt die gesamte Oberfläche eines Bauelementes, die genannte auxetische Gitterstruktur aufweist. Unter einer Oberfläche wird hierbei nicht nur eine nach außen hin sichtbare Oberfläche, sondern gegebenenfalls auch innere Flächen verstanden, wie z. B. bei Hohlprofilen, zellulären Strukturen, Rohren, etc., die innere und äußere Oberflächen aufweisen. Ebenso ist es möglich, nur Teilbereiche einer Oberfläche mit einer auxetischen Gitterstruktur auszustatten.According to the invention, it may be provided that at least a part, preferably the entire surface of a component, has said auxetic lattice structure. Under a surface here is not only an outwardly visible surface, but possibly also understood internal surfaces, such. Example, in hollow sections, cellular structures, pipes, etc., which have inner and outer surfaces. Likewise, it is possible to equip only partial areas of a surface with an auxetic grid structure.

Hierbei kann sich die auxetische Gitterstruktur oberflächennah jedoch auch bis in tiefere Bereiche des Bauelementes erstrecken, gegebenenfalls kann das Bauelement vollständig durch ein auxetisches Gitter, d. h. eine periodische Aneinanderreihung einer Vielzahl von Zellen mit auxetischem Verhalten aufgebaut sein.In this case, however, the auxetic lattice structure may also extend as far as the surface to the lower part of the component, where appropriate the component may be completely covered by an auxetic lattice, i. H. be constructed a periodic stringing a plurality of cells with auxetic behavior.

Zur Vermeidung von Nachteilen bei Sandwich- bzw. Kompositkonstruktionen kann es gemäß der Erfindung bevorzugt vorgesehen sein, dass die auxetische Gitterstruktur aus dem Material des Bauelementes ausgebildet ist und insbesondere einstückig mit dem Bauelement verbunden ist.In order to avoid disadvantages in sandwich or composite constructions, it can preferably be provided according to the invention that the auxetic lattice structure is formed from the material of the component and in particular is integrally connected to the component.

Um dies zu erreichen, kann in einer Ausführung die auxetische Gitterstruktur durch eine Materialbearbeitung wenigstens in/auf eine Oberfläche des Bauelementes eingebracht/aufgebracht sein. Die Materialbearbeitung kann beispielsweise durch Materialabtragung (spanend, nichtspanend), Materialaufbringung, Stanzen, Schweißen, Laserschneiden, Walzen, Prägen, Spritzen, Gießen, Kleben oder beliebige andere, dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. Auch mit üblichen Verfahren der Befestigungstechnik können auxetische Gitterstrukturen an einem Bauelement angebracht werden.In order to achieve this, in one embodiment, the auxetic grid structure may be introduced / applied by material processing at least into / on a surface of the component. Material processing can be carried out, for example, by material removal (machining, non-chipping), material application, stamping, welding, laser cutting, rolling, embossing, spraying, casting, gluing or any other types known to the person skilled in the art. Even with conventional methods of fastening technology, auxetic lattice structures can be attached to a component.

So können beispielsweise bestehende Bauelemente durch eine nachträgliche Bearbeitung z. B. durch Aufbringung, Ergänzung, Verstärkung mit einer auxetischen Gitterstruktur versehen werden, wobei durch die nachträgliche Bearbeitung die mechanischen Eigenschaften eines Bauelementes optimiert werden können.For example, existing components by subsequent processing z. B. by application, supplementation, reinforcement are provided with an auxetic grid structure, which can be optimized by the subsequent processing, the mechanical properties of a component.

Die auxetische Gitterstruktur kann im Wesentlichen durch Stege ausgebildet werden, die untereinander verbunden sind und so eine Vielzahl von Zellen bilden, wobei z. B. die Stege einer kleinsten Zelle wenigstens in einem Teilbereich eine in das Zelleninnere weisende Ausbauchung aufweisen. Diese Zellform kann auch als zumindest teilweise konkav bezeichnet werden. Eine auxetische Wirkung einer Zelle kann auch durch andere Zellenformen erreicht werden. Hierbei umschließen die Stege Hohlräume, wobei jeder der Hohlräume ein Zelleninneres ausbildet. Insofern kann es vorgesehen sein, dass die Hohlräume der auxetischen Zellen lediglich oberflächennah, z. B. durch nachträgliche Materialbearbeitung (Einbringung von Vertiefungen) erzeugt werden oder dass das Bauelement schon mittels eines ursprünglichen Herstellungsprozesses (z. B. Gießen) eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, die aufgrund ihrer Zellwandgestaltung auxetisches Verhalten zeigen.The auxetic grid structure can be formed substantially by webs which are interconnected and thus form a plurality of cells, wherein z. B. the webs of a smallest cell at least in a partial region have a pointing into the cell interior bulge. This cell shape may also be referred to as at least partially concave. An auxetic effect of a cell can also be achieved by other cell forms. In this case, the webs enclose cavities, each of the cavities forming a cell interior. In this respect, it may be provided that the cavities of the auxetic cells only near the surface, z. B. by subsequent material processing (introduction of wells) are generated or that the device already by means of an original manufacturing process (eg., Casting) has a plurality of cavities that show auxetic behavior due to their cell wall design.

So ist es beispielsweise auch möglich, insbesondere bei flächenartigen Gebilden, nicht nur die Stege, welche auxetische Zellen bilden, in das Flächenmaterial, beispielsweise ein Blech, einzuprägen, sondern es können ebenso beispielsweise durch Stanzen oder Laserschneiden in ein flächiges Gebilde entsprechend geformte Löcher bzw. Öffnungen eingebracht werden, so dass die stehen bleibenden Materialbereiche zwischen benachbarten Löchern bzw. Öffnungen eine insbesondere periodische Zellstruktur mit auxetischem Verhalten ausbilden. Hierdurch ergibt sich eine offene Zellstruktur.Thus, for example, it is also possible, in particular in the case of sheet-like structures, not only to emboss the webs which form auxetic cells into the sheet material, for example a metal sheet, but also correspondingly shaped holes or punching or laser cutting into a flat structure. Openings are introduced, so that the remaining material areas between adjacent holes or openings form a particular periodic cell structure with auxetic behavior. This results in an open cell structure.

Aus den genannten flächenartigen Bauelementen (z. B. Bleche) können auch dünnwandige, beispielsweise ebene oder gekrümmte Strukturen als erfindungsgemäße Bauelemente gebildet werden, z. B. Zylinder etc., durch eine beliebig geformte Ausbildung eines Bauelementes. Bevorzugt werden solche dünnwandigen Bauelemente derart gebildet, dass sie in einer Dimension (z. B. Breite, Länge, Radius, etc.) eine wenigstens 40-fach größere Ausdehnung aufweisen als das Material dick ist.It is also possible to form thin-walled structures, for example planar or curved structures, from the surface-type components mentioned (eg sheets) as components according to the invention, eg. As cylinders, etc., by an arbitrarily shaped design of a device. Such thin-walled components are preferably formed in such a way that they have a dimension which is at least 40 times greater in one dimension (eg width, length, radius, etc.) than the material is thick.

Die genannten Bauelemente können auxetische Oberflächenstrukturen aufweisen, wobei z. B. bei einem Aufbringen der auxetischen Struktur auf die Oberfläche diese Struktur bevorzugt eine etwa 1 bis 10-fache Dicke im Vergleich zur Materialdicke des Bauelementes aufweist. Die auxetische Struktur bildet dann sogenannte Steifen auf der Oberfläche.The components mentioned may have auxetic surface structures, wherein z. B. in applying the auxetic structure on the surface, this structure preferably has an about 1 to 10-fold thickness compared to the material thickness of the device. The auxetic structure then forms so-called stiffeners on the surface.

Gerade derartige flächige Gitterstrukturen mit auxetischen Zellen sind auch geeignet, als Bestandteile von Schichtverbunden zu dienen, bei denen mehrere dieser flächigen Bauelemente übereinander gelegt, und miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder andere Techniken. Zwischen den erfindungsgemäßen Bauelementen können Schichten aus üblichen Materialien angeordnet sein. Es können bevorzugt die einzelnen flächigen Bauelemente gegeneinander versetzt miteinander verbunden werden. Beispielsweise können bei üblichen Sandwich- bzw. Laminat-Aufbauten die verschiedenen Schichten, z. B. die äußeren Deckplatten, aus erfindungsgemäßen Bauelementen ausgeführt sein. Such planar grid structures with auxetic cells are also suitable for serving as components of layered composites in which several of these planar components are superimposed and connected to one another, for example by welding, gluing or other techniques. Layers of conventional materials may be arranged between the components according to the invention. It may preferably be the individual sheet-like components offset from each other connected to each other. For example, in conventional sandwich or laminate structures, the various layers, for. As the outer cover plates, be executed from components of the invention.

Die auf eine Oberfläche aufgebrachten oder in eine Oberfläche eingebrachten Stege können ihrerseits beliebige Querschnitte aufweisen und massiv oder auch hohl ausgebildet sein. Ein Steg selbst kann beispielsweise auch dünnwandig offen oder geschlossen sein.The webs applied to a surface or introduced into a surface may in turn have any desired cross-sections and may be solid or hollow. A web itself can also be thin-walled open or closed, for example.

Die Stege, die die Wände einer auxetischen Zelle ausbilden, können in einer einfachen Ausführung senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sein. In diesem Fall ergibt sich im wesentlichen eine auxetische Eigenschaft der Zellgitterstruktur zweidimensional parallel zur Oberfläche.The ridges that form the walls of an auxetic cell may be aligned perpendicular to the surface in a simple embodiment. In this case, an auxetic property of the cell lattice structure essentially results two-dimensionally parallel to the surface.

Ebenso ist es möglich, die Stege derart auszubilden, dass die Wände abweichend von der senkrechten Orientierung zur Oberfläche geneigt angeordnet sind. Hierdurch kann die Möglichkeit geschaffen werden, mehrere Zelllagen übereinander zu stapeln, so dass sich auch senkrecht zur Oberfläche Lagen von auxetischen Zellen bilden, wodurch eine dreidimensionale Wirkung der auxetischen Zellgitterstruktur erreichbar ist.It is also possible to form the webs such that the walls are arranged inclined differently from the vertical orientation to the surface. In this way, it is possible to create the possibility of stacking a plurality of cell layers one above the other so that layers of auxetic cells form perpendicular to the surface, whereby a three-dimensional effect of the auxetic cell lattice structure can be achieved.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungen ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Zellwände der auxetischen Gitterzellenstruktur biegesteif ausgeführt und an den Knoten, die die Zellwände verbinden, biegesteif verbunden sind.In the embodiments described so far, it is preferably provided that the cell walls of the auxetic grid cell structure are rigid and connected at the nodes that connect the cell walls, rigidly connected.

Ebenso ist es möglich, die auxetische Zellgitterstruktur aus flexiblen Zellwänden zu bilden, die an den Knoten biegesteif verbunden sind, so dass sich hierdurch weitere Anwendungsmöglichkeiten erschließen, wie beispielsweise biegeweiche Membrankonstruktionen. Die auxetische Struktur kann beispielsweise aus flexiblen Bändern (z. B. Stahlseilen, Stahl- und/oder Kunststoffbändern) ausgebildet sein, die von einer oder mehreren Materialschichten umschlossen oder auf diesen aufgebracht sind.Likewise, it is possible to form the auxetic cell lattice structure of flexible cell walls, which are rigidly connected to the nodes, so that this opens up further applications, such as flexible membrane constructions. The auxetic structure may, for example, be formed from flexible bands (eg steel cables, steel and / or plastic bands) which are enclosed by or applied to one or more layers of material.

Z. B. kann eine flexible auxetische Netzstruktur zwischen zwei Materialbahnen aus beliebigem Material (beispielsweise auch Textilien, Tücher) eingeschlossen sein, wobei die beiden gegenüberliegenden Materialbahnen durch die offenen Zellen der auxetischen Gitter- bzw. Netzstruktur miteinander verbunden sind, z. B. durch Verkleben, Schweißen, Nähen, Nieten oder andere dem Fachmann geläufige Maßnahmen.For example, a flexible auxetic net structure may be sandwiched between two webs of any material (eg, textiles, cloths), the two opposing webs being interconnected by the open cells of the auxetic grid structure, e.g. As by gluing, welding, sewing, riveting or other measures familiar to the expert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained in more detail in the figures. Show it:

1: Vergleich einer üblichen Wabenstruktur mit einer auxetischen Gitterstruktur (Stand der Technik); 1 Comparison of a conventional honeycomb structure with an auxetic lattice structure (prior art);

2: eine einzelne repräsentative auxetische Zelle mit vertikalen Zellwänden (Stand der Technik) 2 : a single representative auxetic cell with vertical cell walls (prior art)

3: eine einzelne repräsentative auxetische Zelle mit in das Zellinnere geneigten Zellwänden; 3 a single representative auxetic cell with cell walls inclined into the cell interior;

4: auxetische Strukturen im Schnitt durch ein-/zweiseitigen Materialauftrag auf eine Oberfläche; 4 : auxetic structures on average by one- / two-sided application of material to a surface;

5a: auxetische Strukturen im Schnitt durch ein-/zweiseitige Einprägungen in eine Oberfläche, z. B. ein Blech; 5a : Auxetic structures in the section by one- / two-sided imprints in a surface, z. B. a sheet;

5b: zweiseitige auxetische Strukturen durch Aneinanderfügung zweier einseitiger Einprägungen in je eine Oberfläche; 5b : two-sided auxetic structures by joining two one-sided imprints in one surface each;

6: eingebettete erfindungsgemäße Bauelemente mit auxetischen Strukturen; 6 embedded devices according to the invention with auxetic structures;

7: ein zumindest bereichsweise auxetisch ausgebildetes bzw. versteiftes Bauelement mit einer zylindrisch gekrümmten Oberfläche; 7 an at least partially auxetisch trained or stiffened component with a cylindrically curved surface;

8: ein zumindest bereichsweise auxetisch ausgebildetes bzw. versteiftes Bauelement mit ebenen Oberflächen; 8th an at least partially auxetisch trained or stiffened component with flat surfaces;

Die 1 (Stand der Technik) zeigt im oberen Bereich a) eine typische Bienenwabengitterstruktur (Honeycomb), die gemäß üblicher Materialien ein Verhalten mit positiver Poissonzahl aufweist, d. h. bei Anlegen einer Zugkraft an die Bienenwabenstruktur, wird sich diese in Richtung der Zugkraft strecken und senkrecht zur Zugkraft verjüngen, wie es im rechten Teil der 1a) angedeutet ist.The 1 (Prior Art) shows at the top of a) a typical honeycomb structure (honeycomb), which according to conventional materials has a positive Poisson number behavior, ie when applying a tensile force to the honeycomb structure, this will stretch in the direction of tensile force and perpendicular to the tensile force rejuvenate as it is in the right part of the 1a ) is indicated.

Demgegenüber ist im unteren Teil b) der 1 eine Gitterstruktur mit auxetischem Verhalten dargestellt, bei der eine jede Zelle 1 einen Wandbereich bzw. Stegbereich 2 aufweist, der in das Zelleninnere hinein ausgebaucht ist und maßgeblich zum auxetischen Verhalten der Gesamtanordnung beiträgt. Eine solche Zelle hat von außen betrachtet zumindest teilweise eine konkave Zellwandung. Rechtsseitig im Teil b) der 1 ist dargestellt, wie die auxetische Zellstruktur beim Anlegen einer Zugkraft sich sowohl in Richtung der Zugkraft als auch senkrecht zur Zugkraft vergrößert und dementsprechend das auxetische Verhalten mit negativer Poissonzahl aufweist.In contrast, in the lower part b) of 1 a lattice structure with auxetic behavior is shown, in which each cell 1 a wall area or web area 2 which has bulged into the interior of the cell and significantly to the auxetic behavior of the overall arrangement contributes. Such a cell, viewed from the outside, at least partially has a concave cell wall. On the right in part b) of the 1 is shown how the auxetic cell structure increases in the application of a tensile force both in the direction of the tensile force and perpendicular to the tensile force and accordingly has the auxetic behavior with a negative Poisson number.

Kern des erfindungsgemäßen Gedankens ist es, eine derartige auxetische Gitterstruktur, wie sie beispielhaft in der 1 gezeigt ist, jedoch noch auf vielfältig andere Art und Weise realisierbar ist (andere Zellenformen), wenigstens auf/in einer Oberfläche eines Bauelementes anzuordnen. Durch das besondere mechanische Verhalten der auxetischen Gitterstruktur kann erfindungsgemäß eine Verstärkung und Verbesserung der mechanischen Festigkeitseigenschaften, insbesondere der Eigenschaften zur Lastabtragung und/oder des Schwingungsverhaltens eines Bauelementes erzielt werden.The core of the inventive concept is to have such an auxetic lattice structure, as exemplified in the 1 is shown, but still in many other ways can be realized (other cell shapes) to arrange at least on / in a surface of a component. Due to the special mechanical behavior of the auxetic lattice structure, it is possible according to the invention to increase and improve the mechanical strength properties, in particular the properties for load transfer and / or the vibration behavior of a component.

Hierbei kann es sich um beliebige Bauelemente handeln, wie beispielsweise Träger, Stäbe, Rohre, Platten und Schalen, etc. mit jeweils beliebigen Querschnittsformen und Materialien, wobei eine auxetische Gitterstruktur zumindest in eine Oberfläche des Bauelementes eingebracht oder auf diese aufgebracht ist, gegebenenfalls das Volumen eines Bauelementes durchzieht.These may be any components, such as supports, rods, tubes, plates and shells, etc., each having arbitrary cross-sectional shapes and materials, wherein an auxetic grid structure is introduced at least in a surface of the device or applied thereto, optionally the volume pervades a component.

Die 2 (Stand der Technik) zeigt repräsentativ eine einzelne Zelle aus dem in 1 dargestellten periodischen Zellenaufbau. Die gezeigte Form stellt lediglich eine von vielen Möglichkeiten dar, eine auxetische Zelle zu bilden. Diese hier gezeigte Zelle wird in den folgenden Figuren als Repräsentant für alle möglichen Zellenformen verwendet.The 2 (Prior art) representatively shows a single cell from the in 1 illustrated periodic cell structure. The shape shown is but one of many ways to form an auxetic cell. This cell shown here is used in the following figures as a representative of all possible cell shapes.

Die Zelle nach 2 weist seitliche Wandbereiche 2 auf, die vorliegend senkrecht zu einer nicht dargestellten Oberfläche orientiert sind. Hierdurch ergibt sich ein auxetisches Verhalten einer aus dieser Zelle aufgebauten periodischen Struktur in zwei Dimensionen parallel zur Oberfläche. Die Verhältnisse von Länge zu Breite a/b bzw. Höhe zu Breite h/b können beliebig sein, wobei bevorzugt h/b < a/b gilt.The cell after 2 has lateral wall areas 2 on, which are oriented in the present case perpendicular to a surface, not shown. This results in an auxetic behavior of a periodic structure built up from this cell in two dimensions parallel to the surface. The ratios of length to width a / b or height to width h / b can be arbitrary, preferably h / b <a / b.

Die Zellen bzw. die gesamte Zellstruktur kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, insbesondere aus dem Material der Oberfläche, auf oder in der die Struktur angebracht werden soll. Bevorzugt wird es sich bei dem Material um Metall, Kunststoff, Verbundwerkstoffe oder beliebige Kombinationen daraus handeln.The cells or the entire cell structure can be made of any material, in particular of the material of the surface, on or in which the structure is to be applied. Preferably, the material will be metal, plastic, composites or any combination thereof.

Jeder der Zellwandbereiche 2 ist bevorzugt biegesteif ausgeführt, damit evtl. Belastungen der Zellstruktur ohne Verformung der Wandbereiche 2 in die gesamte Zellstruktur eingeleitet werden und sich die Zellstruktur vermittels einer Bewegung der Wandbereiche 2 gegeneinander über die Verbindungsknoten 3 streckt.Each of the cell wall areas 2 is preferably rigid, so that possibly strains of the cell structure without deformation of the wall areas 2 be introduced into the entire cell structure and the cell structure by means of a movement of the wall areas 2 against each other via the connection nodes 3 stretches.

Der Querschnitt eines jeden durch die Wandbereiche 2 gebildeten Steges kann beliebig sein. Ebenso können die Stege hohl, massiv oder dünnwandig offen/geschlossen ausgeführt sein.The cross section of each through the wall areas 2 formed bridge can be arbitrary. Likewise, the webs can be made hollow, solid or thin-walled open / closed.

Der für eine auxetische Struktur typische konkave Bereich der Zelle ist durch den Bereich K gegeben.The concave area of the cell typical of an auxetic structure is given by the area K.

Die 3 zeigt eine auxetische Zelle in Aufsicht mit grundsätzlich ähnlichem Aufbau, wobei jedoch hier die Zellwände 2 jeweils in Richtung des Zellinneren geneigt sind. Relativ zur Oberfläche, auf/in der die Zellen angeordnet sind (hier die Blattebene) weist eine Zellwand einen von 90 Grad verschiedenen Winkel auf.The 3 shows an auxetic cell in supervision with basically similar structure, but here the cell walls 2 each inclined in the direction of the cell interior. Relative to the surface on which the cells are arranged (here the leaf plane), a cell wall has an angle other than 90 degrees.

Derartige Zellen können in mehreren Ebenen übereinandergestapelt werden, wobei bevorzugt benachbarte Ebenen zueinander um 180 Grad umgeklappt sind, so dass beim Aufeinanderlegen mehrerer Zellebenen die Ober- und Unterseiten der Zellwände aufeinander fluchtend und bündig zu liegen kommen. Hierdurch ergibt sich weiterhin auch eine in die Höhe reichende auxetische Zellenstruktur, so dass eine dreidimensionale Wirkung dieser Struktur erreicht werden kann.Such cells can be stacked on top of each other in several planes, wherein preferably adjacent planes are folded over 180 degrees to each other, so that when superimposing several cell levels, the upper and lower sides of the cell walls come to lie flush with each other and flush. As a result, an auxetic cell structure reaching in the height also results, so that a three-dimensional effect of this structure can be achieved.

Die 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein dünnwandiges Bauelement gemäß der Erfindung. Im oberen Bereich der 4 ist es dargestellt, dass Material einseitig auf die Oberfläche O des Bauelementes an- bzw. aufgebracht ist. Aufgrund der Schnittdarstellung senkrecht zur Oberfläche ist die typische Zellstruktur hier nicht erkennbar. Ersichtlich ist es, dass die Zellwände 2 sich wie bei 2 beschrieben senkrecht zur Oberfläche O erstrecken. Die Zellen können zueinander eine beliebige, auch örtlich bzw. bereichsweise variable Periodizität b aufweisen, so dass sich auch eine Gradientenstruktur ergeben kann.The 4 shows a vertical section through a thin-walled device according to the invention. In the upper area of the 4 it is shown that material on one side on the surface O of the component is applied or applied. Due to the sectional view perpendicular to the surface, the typical cell structure is not recognizable here. It is evident that the cell walls 2 like at 2 described perpendicular to the surface O extend. The cells may have an arbitrary, also spatially or partially variable periodicity b, so that a gradient structure can also result.

Die 4 unten zeigt beidseitig auf die Oberfläche O an- bzw. aufgebrachte Zellstrukturen mit senkrechten Wandbereichen 2. Die auf der oberen und unteren Oberfläche des Bauelementes angebrachten Zellstrukturen, können, wie hier dargestellt, auch gegeneinander versetzt angeordnet sein.The 4 below shows on both sides on the surface O applied or applied cell structures with vertical wall areas 2 , The cell structures attached to the upper and lower surface of the component can, as shown here, also be offset relative to one another.

Bei beiden Ausführungen gemäß 4 bilden die auxetischen Zellstrukturen Versteifungen, die durch Auftragen von Material oder Befestigung auf der Oberfläche O, Abtragen von Material von der Oberfläche O oder ähnliche Maßnahmen herstellbar sind.In both versions according to 4 The auxetic cell structures form stiffeners which can be produced by application of material or attachment to the surface O, removal of material from the surface O or similar measures.

Die 5a zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen dünnwandigen Bauelementes mit einer Dicke D, z. B. ein Blech, in das die auxetischen Zellstrukturen durch Einprägen ein- oder zweiseitig eingebracht wurden. Auch hier können die Zellstrukturen von oberer und unterer Oberfläche zueinander versetzt sein.The 5a shows a further variant of a thin-walled component according to the invention with a thickness D, z. B. a sheet in which the auxetic cell structures were introduced by impressing one or two sides. Again, the cell structures of upper and lower surfaces can be offset from one another.

Durch die Einprägungen ergeben sich hier weiterhin Zellwandbereiche, die in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Oberfläche O angeordnet sind. Grundsätzlich kann der Prägequerschnitt, der die Neigung oder Formgebung der Wandbereiche 2 bestimmt, beliebig sein.As a result of the embossings, cell wall areas which are arranged at a different angle from the surface O than 90 degrees also result here. In principle, the embossing cross-section, the inclination or shaping of the wall areas 2 certainly, be arbitrary.

5b zeigt die Möglichkeit, zwei erfindungsgemäße Bauelemente (z. B. Bleche), die jeweils auf einer Oberfläche einseitig eine eingeprägte auxetische Struktur aufweisen, aneinanderzufügen, insbesondere derart, dass die jeweiligen Einprägungen zueinander gewandt und die ausgeformten Vorsprünge voneinander abgewandt sind. Die Verbindung kann durch jegliche Art, z. B. Verkleben, Verschweißen etc. erfolgen. Die jeweiligen auxetischen Strukturen können gegeneinander versetzt sein und gleiche oder unterschiedliche Periodizitäten b aufweisen. 5b shows the possibility of two components according to the invention (eg sheets), each having on one side an embossed auxetic structure on a surface, add together, in particular such that the respective indentations facing each other and the molded projections are facing away from each other. The compound can by any kind, for. B. gluing, welding, etc. done. The respective auxetic structures may be offset from each other and have the same or different periodicities b.

Die 6a und 6b zeigt zwei Möglichkeiten, bei der ein auxetisches erfindungsgemäßes Bauelement, insbesondere ein flächiges dünnwandiges Bauelement mit einem anderen erfindungsgemäßen Bauelement durch ein dazwischenliegendes Matrixmaterial M verbunden ist. 6a beschreibt eine Sandwichkonstruktion und 6b eine Laminatkonstruktion.The 6a and 6b shows two ways in which an auxetic inventive device, in particular a flat thin-walled device is connected to another device according to the invention by an intermediate matrix material M. 6a describes a sandwich construction and 6b a laminate construction.

Beispielsweise kann es sich mit Bezug auf 6a bei dem Matrixmaterial um eine im Stand der Technik bekannte Kernstruktur handeln, die zwischen zwei Trägerplatten T angeordnet ist, wobei eine Trägerplatte T einseitig oder zweiseitig die erfindungsgemäße Zellstruktur mit auxetischen Zellen aufweist. Hierbei kann gemäß der 6a die Art und Weise, wie die Struktur auf die Trägerplatten aufgebracht ist, unterschiedlich sein, z. B. wie zu den 4 und 5 beschrieben.For example, it may be with reference to 6a in the matrix material to act in the prior art known core structure, which is arranged between two support plates T, wherein a support plate T unilaterally or bilaterally having the inventive cell structure with auxetic cells. Here, according to the 6a the manner in which the structure is applied to the carrier plates, be different, for. B. as to 4 and 5 described.

Es kann ebenso vorgesehen sein, dass erfindungsgemäße Bauelemente mit Bezug auf 6b vollständig von nicht auxetischem Material M umgeben sind. Es befinden sich dann insbesondere in einem Abstand zueinander mehrere auxetisch wirkende Schichten in einem Verbund, wobei jede Schicht unterschiedlich ausgebildet sein kann.It may also be provided that components according to the invention with reference to 6b completely surrounded by non-auxetic material M. There are then in particular at a distance from each other several auxetisch acting layers in a composite, each layer can be designed differently.

Es ist weiterhin möglich, dass das Matrixmaterial durch eine zweidimensional oder dreidimensional wirkende auxetischen Zellstruktur gebildet ist.It is also possible that the matrix material is formed by a two-dimensional or three-dimensional auxetic cell structure.

Anwendungsgebiete sind laminierte Mehrschichtverbundwerkstoffe oder -konstruktionen, armierte Werkstoffe oder -konstruktionen (z. B. Gitterbewehrungen bei duktilen, spröden und kohäsiv – granularen Materialien, Reifen, Schläuchen etc).Areas of application include laminated multi-layer composite materials or constructions, reinforced materials or constructions (eg grid reinforcements for ductile, brittle and cohesive-granular materials, tires, hoses, etc.).

Die 7 zeigt ein Beispiel, bei dem zumindest teilbereichsweise die Oberfläche eines dünnwandigen Zylinders eine offene auxetische Struktur A aufweist bzw. auf die äußere Oberfläche eines dünnwandigen Zylinders Z aufgebracht/aufgeprägt ist. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Lastabtragung besonders bei einer Belastung durch eine Kraft F in Richtung der Zylinderachse ZA.The 7 shows an example in which at least partially the surface of a thin-walled cylinder has an open auxetic structure A or applied to the outer surface of a thin-walled cylinder Z / impressed. This results in an improved load transfer, especially at a load by a force F in the direction of the cylinder axis ZA.

Es kann beispielsweise bei jedem flächigen Bauelement, wie z. B. einem ebenen Blech, wie es in 8 dargestellt ist, eine auxetische Gitterstruktur durch Einprägen in die Fläche eingebracht werden, wobei sich insbesondere auf der einen Seite des Bleches die Stege als Vertiefungen und auf der anderen Seite des Bleches die Stege als Erhebungen ausbilden. Ganz allgemein kann es vorgesehen sein, in den Bauelementen erfindungsgemäßer Art die Stege, die die Zellenform mit auxetischem Verhalten ausbilden, durch Vertiefungen im Material des Bauelementes oder Erhebungen zu realisieren.It may, for example, in each planar device, such. B. a flat sheet, as it is in 8th is shown, an auxetic grid structure are introduced by impressing in the surface, wherein the webs form as depressions and on the other side of the sheet, the webs form as elevations, in particular on one side of the sheet. In general, it can be provided to realize in the components of the invention type, the webs that form the cell shape with auxetic behavior, by depressions in the material of the device or surveys.

Claims

Component in which at least one surface of the component has an auxetic lattice structure, which is applied by material processing to the surface of the component and connected thereto or introduced into the surface, with webs which enclose cavities, each of the cavities forming a cell interior and the lattice structure has a negative Poisson number at least in two dimensions, at least parallel to the surface, characterized in that the component is a load-bearing component and the lattice structure forms unilaterally open cells or forms cells which are optically closed by a cover layer which does not or at best contributes negligibly to a load transfer.

Component according to claim 1, characterized in that the lattice structure is arranged on both sides of a lower and upper surface, in particular wherein the lattice structures are offset from each other.

Component according to one of the preceding claims, characterized in that the walls of the auxetic cells are inclined differently from the perpendicular orientation to the surface of the component.

Component according to one of the preceding claims, characterized in that the webs of a smallest cell form at least in a partial area a pointing into the cell interior bulge.

Component according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed as a carrier, rod, tube or surface.

Component according to one of the preceding claims, characterized in that the grid structure has a thickness of 1 to 10 times compared to the material thickness of the component.

Layer composite comprising a plurality of planar components according to one of the preceding claims, which are superimposed and interconnected.

Laminate according to claim 7, characterized in that the components are connected by an intervening matrix material.

Laminate according to claim 7 or 8, characterized in that individual planar components are connected to each other offset.

Laminate according to claim 7, characterized in that it comprises two components which on one side have an embossed auxetic structure on its surface and the components are joined to each other such that the respective impressions are facing each other and the shaped projections are remote from each other.

Laminate according to claim 10, characterized in that the auxetic structures are offset from each other and have the same or different periodicities.