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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dreidimensionale drahtgewobene
zelluläre Leichtstruktur,
welche aus einer Gruppe von kontinuierlichen Drähten gebildet ist, und ein
Herstellungsverfahren derselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf solch eine zelluläre
Leichtstruktur, in welcher sechs Orientierungsdrahtgruppen sich überkreuzen
zu 60 Grad oder 120 Grad an Winkeln in einem dreidimensionalen Raum,
um dadurch die Struktur ähnlich
zu dem idealen Oktett- oder Kagome-Gerippe zu konstruieren und dabei
eine gute mechanische Eigenschaft hat, wie Stärke, Steifigkeit oder Ähnliches.
Auch bezieht sich die Erfindung auf das Verfahren zur Massenfertigung
derselben auf eine kosteneffektive Weise.
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Technischer Hintergrund
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Herkömmlich war
ein Metallschaum als eine typische zelluläre Leichtstruktur bekannt.
Dieser Metallschaum wird hergestellt durch Erzeugen von Blasen innerhalb
eines Metalls von flüssigem
oder halbfestem Zustand (geschlossene Zelle), oder durch Gießen des
Metalls in eine Form, die aus einem Schäumharz gemacht ist (offene
Zelle). Jedoch haben diese Metallschäume relativ minderwertige mechanische
Eigenschaften, wie Stärke
und Steifigkeit. Zusätzlich
wurde er wegen seiner hohen Herstellungskosten in der Praxis nicht
weit verbreitet verendet, außer
für einen
speziellen Zweck wie in Luft- oder Raumfahrtindustrien.
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Als
ein Ersatzmaterial für
die oben erwähnten
Metallschäume
wurden Leichtstrukturen vom offenen Zellentyp entwickelt, welche
periodische Gerippezellen haben. Diese Leichtstruktur vom offenen Zellentyp
ist so entworfen, dass sie eine optimale Stärke und Steifigkeit hat durch
präzise
mathematische und mechanische Analyse und daher hat sie gute mechanische
Eigenschaften. Eine typische Gerippestruktur ist veranschaulicht
durch das Oktett-Gerippe, wo reguläre Tetraeder und Oktaeder kombiniert
sind (siehe R. Buckminster Fuller, 1961,
US-Patent Nr. 2,986,24 A ).
Jedes Element des Gerippes bildet ein gleichseitiges Dreieck und
daher ist es vorteilhaft in Begriffen von Stärke und Steifigkeit. In jüngerer Zeit
wurde als eine Modifikation des Oktett-Gerippes das Kagome-Gerippe
berichtet (siehe S. Hyun, A. M. Karlsson, S. Torquato, A. G. Evans, 2003,
Int. J. of Solids and Structures, Bd. 40, Seiten 6989–6998).
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Mit
Bezug auf 1 werden das zweidimensionale
Oktett-Gerippe 101 und das zweidimensionale Kagome-Gerippe 102 verglichen,
d. h., die Einheitszelle 102a des Kagome-Gerippes 102 hat
ein gleichseitiges Dreieck und ein reguläres Hexagon in jeder Fläche, unähnlich zu
der Einheitszelle 101a des Oktett-Gerippes 101. 2 und 3 zeigen
eine einzelne Schicht des dreidimensionalen Oktett-Gerippes 201 bzw.
des dreidimensionalen Kagome-Gerippes 202. Wenn man die
Einheitszelle 201a des dreidimensionalen Oktett-Gerippes 201 mit
der Einheitszelle 202a des dreidimensionalen Kagome-Gerippes 202 vergleicht,
so ist eine signifikante Eigenschaft des 3D-Kagome-Gerippes 202,
dass es isotrope mechanische Eigenschaften hat. Daher haben die strukturellen
Materialien oder andere Materialien, die auf dem Kagome-Gerippe
basieren, eine uniforme mechanische und elektrische Eigenschaft,
unabhängig
von deren Orientierung.
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Andererseits
wurden verschiedene Prozesse zur Herstellung einer zellulären Leichtstruktur
vom Gerippetyp verwendet. Zuerst wird eine Gerippestruktur aus einem
Harz gebildet und ein Metall wird unter Verwendung der Gerippestruktur
als eine Form gegossen (siehe S. Chiras, D. R. Mumm, N. Wicks, A.
G. Evans, J. W. Hutchinson, K. Dharmasena, H. N. G. Wadley, S. Fichter,
2002, International Journal of Solids and Structures, Bd. 39, Seiten
4093–4115). Zweitens
wird ein metallisches Netz gebildet durch Bilden periodischer Löcher in
einer dünnen
Metallplatte, ein Gerippekern wird gebildet durch Crimpen des metallischen
Netzes und Deckschichten werden auf den oberen und unteren Abschnitt
davon gebogen (siehe D. J. Sypeck und H. N. G. Wadley, 2002, Advanced
Engineering Materials, Bd. 4, Seiten 759–764). Hier wird in dem Fall,
wo eine mehrschichtige Struktur, die mehr als eine Schicht hat,
hergestellt wird, ein anderer gecrimpter Gerippekern über der
oberen Deckschicht angeordnet und eine weitere Deckschicht wird über dem
zweiten Kern angeordnet. In dem dritten Verfahren wird ein Drahtnetz
zuerst unter Verwendung zweier Orientierungsdrähte, die zueinander rechtwinklig
sind, gewoben und dann werden die Drahtnetze laminiert und verbunden
(siehe D. J. Sypeck und H. G. N. Wadley, 2001, J. Mater. Res., Bd.
16, Seiten 890–897).
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In
dem ersten Verfahren sind dessen Herstellungsprozeduren kompliziert,
was zu erhöhten Herstellungskosten
führt.
Es können
nur Metalle angewandt werden, die gut gießbar sind, und demzufolge hat
es begrenzte Anwendungen. Das resultierende Material tendiert dazu,
Gießdefekte
und unzulängliche
mechanische Eigenschaften zu haben. Im Falle des zweiten Verfahrens
führt der
Prozess des Machens von periodischen Löchern in dünne Metallplatten zu Materialverlusten.
Zudem müssen,
obwohl es kein spezifisches Problem in der Herstellung eines gesandwichten
Plattenmaterials gibt, das ein einschichtiges Gerippe hat, die Gerippekerne
und Deckschichten wiederholt laminiert und verbunden werden, um
eine mehrschichtige Struktur herzustellen, wodurch viele Verbindungspunkte
erzeugt werden, was in Nachteilen in Begriffen von Verbindungskosten
und Stärke
resultieren.
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Andererseits
hat, im Falle des dritten Verfahrens, das gebildete Gerippe grundsätzlich keine
ideale reguläre
Tetraeder- oder Pyramidenform und hat daher eine minderwertige mechanische
Stärke. Ähnlich zu
dem zweiten Verfahren müssen
Laminierung und Verbindung zum Herstellen einer mehrschichtigen
Struktur in volviert sein und daher nachteilig im Hinblick auf Verbindungskosten
und – stärke.
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4 zeigt
eine Leichtstruktur, die durch das dritte Verfahren hergestellt
wurde, welche durch Laminieren von Drahtnetzen gebildet ist. Von
diesem Verfahren ist es bekannt, dass es in der Lage ist, die Herstellungskosten
zu reduzieren, aber es werden Drähte
von zwei Orientierungen wie Gewebe gewoben und daher kann es keine
ideale Gerippestruktur bereitstellen, die eine optimale mechanische
und elektrische Eigenschaft hat wie in dem oben beschriebenen dreidimensionalen
Oktett-Gerippe 201 oder dreidimensionalen Kagome-Gerippe 202.
Demgemäß nimmt
es Nachteile an in Begriffen von Kosten und Stärke, wegen vieler Abschnitte,
die zu verbinden sind.
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Übrigens
wird ein gemeinsamer faserverstärkter
Verbundwerkstoff in der Form einer dünnen zweidimensionalen Schicht
hergestellt, die laminiert wird, wenn ein dickes Material benötigt wird.
Wegen des Delaminierungsphänomens
zwischen den Schichten tendiert jedoch dessen Stärke dazu, verschlechtert zu
werden. Daher wird zuerst die Faser in eine dreidimensionale Struktur
gewoben und dann wird eine Matrix wie ein Harz, Metall oder Ähnliches mit
der Struktur kombiniert. 5 ist eine perspektivische Ansicht
der gewobenen Faser in diesem dreidimensionalen faserverstärkten Verbundwerkstoff. Anstelle
von Fasern kann ein Material wie ein metallischer Draht, der eine
hohe Steifigkeit hat, in eine dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur
gewoben werden, wie in 5 gezeigt. Jedoch hat auch es nicht
die oben beschriebene ideale Oktett- oder Kagome-Gerippestruktur,
so dass es eine verminderte mechanische Stärke und anisotrope Materialeigenschaften
hat. Demzufolge hat der Verbundwerkstoff, welcher die dreidimensionale
gewebte Faser verwendet, eine minderwertige mechanisehe Eigenschaft.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen, welche
im Stand der Technik auftreten, und es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine drahtgewobene dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur bereitzustellen,
in welcher sechs Orientierungsdrahtgruppen sich in Winkeln von 60 Grad
oder 120 Grad in einem dreidimensionalen Raum kreuzen, um dadurch
die Struktur ähnlich
zu dem idealen Oktett- oder Kagome-Gerippe zu bilden und eine gute
mechanische Eigenschaften, wie Stärke, Steifigkeit oder Ähnliches,
zu haben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Massenherstellung
der drahtgewobenen dreidimensionalen zellulären Leichtstruktur in einer
kosteneffektiven Weise bereitzustellen.
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Die
dreidimensionale Leichtstruktur der Erfindung ist auf eine solche
Weise konstruiert, dass ein durchgehender Draht direkt in eine dreidimensionale
Struktur gewebt wird, nicht in der Weise, dass planare Drahtnetze
einfach laminiert und verbunden werden. Daher ist die zelluläre Leichtstruktur
der Erfindung sehr ähnlich
zu dem idealen Oktett-Gerippe oder Kagome-Gerippe und weist daher
eine gute mechanische und elektrische Eigenschaft auf.
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Um
die obigen Aufgaben zu erfüllen,
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine dreidimensionale drahtgewobene
zelluläre Leichtstruktur
bereitgestellt, die aus sechs Gruppen von durchgehenden Orientierungsdrähten gebildet ist,
die sich zu Winkeln von 60 Grad oder 120 Grad in einem dreidimensionalen
Raum überkreuzen.
Eine Einheitszelle der zellulären
Leichtstruktur der Erfindung umfasst: einen ersten regulären Tetraeder-Teil, der
aus einem ersten bis sechsten Draht gebildet ist, wobei der erste
reguläre
Tetraeder-Teil auf solch eine Weise konstruiert ist, dass der erste
Draht, der zweite Draht und der dritte Draht sich in einer Ebene überkreuzen,
um ein gleichseitiges Dreieck zu bilden, der vier te Draht mit dem
Kreuzungspunkt des zweiten Drahtes und des dritten Drahtes sich überkreuzt,
der fünfte
Draht sich mit dem Kreuzungspunkt des ersten Drahtes und des zweiten
Drahtes überkreuzt,
und der sechste Draht sich mit dem Kreuzungspunkt des dritten Drahtes
und des ersten Drahtes überkreuzt,
wobei der erste Draht, der vierte Draht, der fünfte Draht und der sechste
Draht sich miteinander bei einem einzigen Referenzkreuzungspunkt überkreuzen;
und einen zweiten regulären
Tetraeder-Teil, welcher mit dem ersten regulären Tetraeder-Teil an dem Referenzkreuzungspunkt
kontaktiert ist und eine ähnliche Form
zu dem ersten regulären
Tetraeder hat, wobei der zweite reguläre Tetraeder-Teil auf solch
eine Weise konstruiert ist, dass der vierte Draht, der fünfte Draht
und der sechste Draht durch den Referenzkreuzungspunkt hindurchgehen
und sich weiter erstrecken, jeder von einer Gruppe an Drähten überkreuzt
sich mit zwei Drähten,
die aus den verlängerten
vierten, fünften
und sechsten Drähten
gewählt sind,
wobei die Gruppe an Drähten
parallel zu dem ersten Draht, dem zweiten Draht bzw. dem dritten Draht
ist; worin die Drähte
sich einander zu 60 Grad oder 120 Grad überkreuzen und die Einheitszelle
in einem dreidimensionalen Muster wiederholt ist, wodurch eine gerippeartige
Struktur gebildet ist.
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Unter
den sechs Gruppen von Orientierungsdrähten können drei Gruppen an Orientierungsdrähten, welche
einen Eckpunkt des ersten oder zweiten regulären Tetraeder-Teils bilden,
sich im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn überkreuzen,
wenn von vorne des Eckpunktes gesehen.
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Vorzugsweise
können
die ersten und zweiten regulären
Tetraeder-Teile ein Ähnlichkeitsverhältnis von
1:1 haben.
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Zusätzlich können die
ersten und zweiten regulären
Tetraeder-Teile ein Ähnlichkeitsverhältnis in dem
Bereich von 1:1 bis 1:10 haben.
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Die
Drähte
können
welche sein, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Metall, Keramiken,
synthetischem Harz und faserverstärktem synthetischen Harz besteht.
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Der
Kreuzungspunkt der Drähte
kann vorzugsweise verbunden sein durch ein Beliebiges gewählt aus
der Gruppe, welche aus einem Kleber in flüssiger oder Sprühform, Hartlöten, Löten und Schweißen besteht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein verstärktes Verbundmaterial bereitgestellt, welches
hergestellt ist durch Ausfüllen
mit einem Harz, einer Keramik oder einem Metall des freien Raumes
einer dreidimensionalen drahtgewobenen zellulären Leichtstruktur gemäß der Erfindung.
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Gemäß einem
nochmals weiteren Aspekt der Erfindung wird ein verstärktes Verbundmaterial bereitgestellt,
hergestellt durch Ausfüllen
mit einem Harz, einer Keramik oder einem Metall des freien Raumes
eines kleineren regulären
Tetraeder-Teils unter
den ersten und zweiten regulären
Tetraeder-Teilen, welcher eine Einheitszelle einer dreidimensionalen
drahtgewobenen zellulären
Leichtstruktur der Erfindung bildet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
einer dreidimensionalen drahtgewobenen zellulären Leichtstruktur bereitgestellt,
die aus sechs Gruppen von durchgehenden Orientierungsdrähten gebildet
ist, die sich miteinander zu Winkeln von 60 Grad oder 120 Grad in
einem dreidimensionalen Raum überkreuzen.
Das Verfahren der Erfindung umfasst die Schritte: Bilden eines gleichseitigen
Dreiecks durch Überkreuzen
eines ersten Drahtes, eines zweiten Drahtes und eines dritten Drahtes
in einer Ebene; Bilden eines ersten regulären Tetraeder-Teils durch Überkreuzen
eines vierten Drahtes mit dem zweiten Draht und dem dritten Draht, Überkreuzen
eines fünften
Drahtes mit dem ersten Draht und dem zweiten Draht, Überkreuzen
eines sechsten Drahtes mit dem dritten Draht und dem ersten Draht
und Überkreuzen
des vierten Drahtes und des fünften
Drahtes und des sechsten Drahtes durch einen einzigen Referenzkreuzungspunkt;
Bilden eines zweiten regulären
Tetraeder-Teils, welches mit dem ersten regulären Tetraeder-Teil bei dem
Referenzkreuzungspunkt kontaktiert ist und eine ähnliche Form zu dem ersten
regulären Tetraeder-Teil
hat, durch Hindurchführen
und Verlängern
des vierten Drahtes, des fünften
Drahtes und des sechsten Drahtes durch den Referenzkreuzungspunkt
und Überkreuzen
von jedem von einer Gruppe von Drähten mit zwei Drähten, die
aus den verlängerten
vierten, fünften
und sechsten Drähten gewählt sind,
wobei die Gruppe an Drähten
parallel zu dem ersten Draht, dem zweiten Draht bzw. dem dritten
Draht ist; und wiederholtes Bilden des ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teils,
um dadurch eine gerippeartige Struktur zu bilden.
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In
dem Verfahren der Erfindung können,
unter den sechs Gruppen an Orientierungsdrähten, drei Gruppen an Orientierungsdrähten, welche
einen Eckpunkt des ersten oder zweiten regulären Tetraeder-Teils bilden,
sich im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn überkreuzen,
wenn von vorne des Eckpunkts betrachtet.
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In
dem Verfahren der Erfindung können
vorzugsweise die ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teile ein Ähnlichkeitsverhältnis von
1:1 haben.
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Weiterhin
können
in dem Verfahren der Erfindung die ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teile
ein Ähnlichkeitsverhältnis in
dem Bereich von 1:1 bis 1:10 haben.
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In
dem Verfahren der Erfindung können
die Drähte
welche sein, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Metall, Keramiken,
synthetischem Harz und faserverstärktem synthetischem Harz besteht.
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Das
Verfahren der Erfindung kann ferner einen Schritt des Bindens des
Kreuzungspunktes der Drähte
umfassen, worin die Kreuzungspunkte der Drähte gebunden werden können durch
ein Beliebiges gewählt
aus der Gruppe, welche aus einem Kleber in flüssiger oder Sprühform, Hartlöten, Löten und Schweißen besteht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines verstärkten Verbundmaterials
bereitgestellt durch Ausfüllen
mit einem Harz, einer Keramik oder einem Metall des freien Raumes
einer dreidimensionalen drahtgewobenen zellulären Leichtstruktur, welche
gemäß dem Verfahren
der Erfindung hergestellt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
eines verstärkten
Verbundmaterials bereitgestellt durch Ausfüllen mit einem Harz, einer
Keramik oder einem Metall des freien Raumes eines kleineren regulären Tetraeder-Teils
unter den ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teilen, welches
eine Einheitszelle einer dreidimensionalen drahtgewobenen zellulären Leichtstruktur
der Erfindung bildet, welche gemäß dem Verfahren
der Erfindung hergestellt wurde.
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Wie
oben beschrieben, gemäß der Erfindung,
kann eine dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur, welche eine ähnliche
Form zu dem idealen Kagome- oder Oktett-Gerippe hat und daher gute Materialeigenschaften
hat, auf eine kontinuierliche und kosteneffektive Weise hergestellt
werden.
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Herkömmlicherweise
wird jede Schichtstruktur zuerst hergestellt und dann laminiert
oder in die dreidimensionale Struktur gegossen. Daher ist die herkömmliche
Technik nachteilig in Begriffen von Herstellungskosten, was auf
ihren nicht kontinuierlichen Prozess zurückzuführen ist. Gemäß der Erfindung
kann eine dreidimensionale Struktur vom Gerippetyp kontinuierlich
hergestellt werden mittels eines durchlaufenden Prozesses auf solch
eine Weise, durchgehende Drähte
in ein Gewebe zu weben, wodurch eine Massenherstellung und Kostensenkung ermöglicht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile der Erfindung können
besser verstanden werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
zweidimensionale Ansicht ist, welche die herkömmlichen zwei Gerippestrukturen vergleicht,
d. h. das Oktett-Gerippe und das Kagome-Gerippe;
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2 eine
Drauf- und Seitenansicht einer einzigen Schicht in der herkömmlichen
Oktett-Gerippestruktur und eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle
davon zeigt;
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3 eine
Drauf- und eine Seitenansicht einer einzigen Schicht in der herkömmlichen
Kagome-Gerippestruktur und eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle
davon zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Leichtstruktur ist, welche durch Laminieren
von Drahtnetzen gemäß der herkömmlichen
Technik hergestellt wurde;
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5 eine
dreidimensionale perspektivische Ansicht und detaillierte Struktur
ist, welche einen faserverstärkten
Verbundwerkstoff zeigt, der durch Weben von Fasern gemäß der herkömmlichen
Technik hergestellt wurde;
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6 eine
Draufsicht eines drahtgewobenen Netzwerks ist, das aus drei parallelen
Orientierunngsdrahtgruppen gebildet ist und ähnlich zu dem zweidimensionalen
Kagome-Gerippe in 1;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Einheitszelle ist, welche dem Abschnitt
A in 6 entspricht, wenn die zweidimensionale Struktur
von 6 in eine dreidimensionale Struktur ähnlich zu dem
dreidimensionalen Kagome-Gerippe in 3 transformiert
wird;
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8 eine
perspektivische Ansicht einer Einheitszelle ist, welche derjenigen
des Kagome-Gerippes in 3 entspricht, wo die Einheitszelle
unter Verwendung von sechs Orientierungsgruppen an Drähten gebildet
ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht ist, welche eine dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur vom
Kagome-Gerippetyp zeigt, welche unter Verwendung von sechs Orientierungsdrahtgruppen
gebildet ist;
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10 eine
perspektivische Ansicht der dreidimensionalen zellulären Leichtstruktur
von 9 ist, wie aus unterschiedlichen Winkeln gesehen;
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11 eine
perspektivische Ansicht eines Eckpunkts des regulären Tetraeders
ist, der durch die drei Orientierungsdrahtgruppen gebildet ist,
in der Struktur von 9, wo der Eckpunkt von vorne
davon gesehen wird;
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12 eine
perspektivische Ansicht von Einheitszellen ist, welche durch einen
unterschiedlichen Drahtkreuzungsmodus gebildet sind in 11;
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13 eine
perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen zellulären Leichtstruktur
vom Oktett-Gerippetyp ist, wo die Struktur eine unterschiedliche
Länge hat
zwischen den Kreuzungspunkten von Drähten;
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14 eine
perspektivische Ansicht einer Einheitszelle in der Struktur von 13 ist;
und
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15 ein
Flussdiagramm ist, welches die Herstellungsprozeduren der dreidimensionalen
zellulären
Leichtstruktur gemäß der Erfindung
zeigt.
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Bester Modus zum Ausführen der
Erfindung
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Die
Erfindung wird hiernach im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden.
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Zuerst
wird die Konstruktion der dreidimensionalen zellulären Leichtstruktur
gemäß der Erfindung beschrieben.
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6 ist
eine Draufsicht eines drahtgewobenen Netzwerks, das aus drei Orientierungsdrahtgruppen 1, 2 und 3 gebildet
ist, welches ähnlich
zu dem zweidimensionalen Kagome-Gerippe in 1 ist. in dem
Netzwerk, welches in drei Achsen unter Verwendung der Drahtgruppen 1, 2 und 3 gewoben
ist, überkreuzen
sich zwei Linien jedes Kreuzungspunkts zu 60 Grad oder 120 Grad.
Jedes Gerippeelement, welches das Kagome-Gerippe bildet, ist mit
einem durchgehenden Draht ersetzt und daher hat die Struktur der
Erfindung eine große
Ahnlichkeit zu einem idealen Kagome-Gerippe, mit Ausnahme, dass die
durchgehenden Drähte
eine Krümmung
machen, während
sie sich mit jedem Kreuzungspunkt davon überkreuzen.
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7 ist
eine dreidimensionale Ansicht des Abschnitts in 6,
der mit A markiert ist. Die gleichseitigen Dreiecke, die sich gegenüber liegen,
sind in die regulären
Tetraeder transformiert und drei Drähte, nicht zwei Drähte, überkreuzen
sich zu 60 Grad oder 120 Grad. Diese Struktur ist durch sechs Orientierungsdrahtgruppen 4 bis 9 konstruiert,
welche so angeordnet sind, dass sie den gleichen Orientierungswinkel
miteinander in dem dreidimensionalen Raume haben.
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Die
Einheitszelle, welche aus den sechs Orientierungsdrahtgruppen 4 bis 9 besteht,
umfasst im Allgemeinen zwei reguläre Tetraeder-Teile, welche die ähnliche
Form haben, die symmetrisch um einen gemeinsamen Eckpunkt sind und
einander gegenüber
liegen. Die Struktur der Einheitszelle wird im Detail unten beschrieben.
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Drahtgruppen 4, 5 und 6 überkreuzen
sich in einer Ebene, so dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden.
Der Draht 7 überkreuzt
den Kreuzungspunkt des Drahtes 5 und des Drahtes 6,
der Draht 8 überkreuzt
den Kreuzungspunkt des Drahtes 4 und des Drahtes 5 und
der Draht 9 überkreuzt
den Kreuzungspunkt des Drahtes 6 und des Drahtes 4.
Hier überkreuzen
sich die Drahtgruppen, 6, 9 und 7 miteinander,
so dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, die Drahtgruppen 4, 8, 9 über kreuzen
sich, um ein gleichseitiges Dreieck zu bilden, und die Drahtgruppen 5, 7, 8 sind
miteinander überkreuzt,
um dadurch ein gleichseitiges Dreieck zu bilden. Demzufolge sind
die sechs Orientierungsdrahtgruppen 4 bis 9 so
angeordnet, dass sie ein reguläres
Tetraeder-Teil (ein erstes reguläres
Tetraeder) bilden.
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Andere
Drahtgruppen 4', 5' und 6' sind auf solche
Weise bereitgestellt, dass sie sich über dem Eckpunkt (Referenzeckpunkt)
des ersten regulären Tetraeder-Teils
anordnen, der gebildet ist durch Überkreuzen der Drahtgruppen 7, 8 und 9,
die sich über
der Ebene befinden, in welcher die Drahtgruppen 4, 5 und 6 sich überkreuzen.
Andere Drahtgruppen 4', 5' und 6', welche dieselben
Orientierungen wie die Drahtgruppen 4, 5 und 6 haben,
sind so angeordnet, dass jede von ihnen zwei Drähte überkreuzt, die aus den Drahtgruppen 7, 8 und 9 gewählt sind,
um dadurch ein gleichseitiges Dreieck zu bilden. Dementsprechend
sind die Drahtgruppen 4', 5', 6', 7, 8 und 9 so
angeordnet, dass sie ein anderes reguläres Tetraeder-Teil (das zweite
reguläre
Tetraeder) bilden. Infolgedessen besteht die Einheitszelle der dreidimensionalen
zellulären
Leichtstruktur 10 aus dem ersten regulären Tetraeder-Teil, welcher durch
die Drahtgruppen 4, 5, 6, 7, 8 und 9 gebildet
ist, und dem zweiten regulären
Tetraeder-Teil, welcher durch die Gruppen 4', 5', 6', 7, 8 und 9 gebildet
ist. Die ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teile sind jeweils
auf der oberen und unteren Seite des Kreuzungspunktes konstruiert,
der durch die Drahtgruppen 7, 8 und 9 gebildet
ist, und liegen sich gegenüber.
Hier haben die ersten und zweiten regulären Tetraeder-Teile eine ähnliche
Form. Wenn das Verhältnis
der Ähnlichkeit
(das Längenverhältnis) 1:1 ist,
bildet sie eine Struktur ähnlich
zu dem Kagome-Gerippe. Wenn das Verhältnis der Ähnlichkeit viel höher als
1:1 ist, ist der erste reguläre
Tetraeder-Teil viel kleiner als der zweite, in dem Ausmaß, dass
er als ein einziger Punkt zu betrachten ist, wodurch eine Struktur ähnlich zu
dem Oktett-Gerippe gebildet wird.
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In
dem Fall, wo die zelluläre
Leichtstruktur der Erfindung eine ähnliche Struktur zu dem Oktett-Gerippe
hat, ist das Ähnlichkeitsverhältnis eines kleineren
Tetraeder-Teils zu einen größeren vorzugsweise
unter 1:10. Wenn das Ähnlichkeits verhältnis höher als
1:10 ist, müssen
die Drähte
so gebogen werden, dass sie einen kleinen Krümmungsradius bilden, um den
kleineren regulären
Tetraeder-Teil zu bilden, was zu einer Schwierigkeit in Herstellung
der Struktur führt.
Ferner werden die Kantendrähte,
welche den größeren Tetraeder-Teil
bilden, von exzessiver Schlankheit, was dazu tendiert, im Knickphänomen zu
resultieren. Um eine Vielzahl von Einheitszellen 10 in
einem dreidimensionalen, durchgängigen Muster
zu bilden, werden die Drähte
so angeordnet, dass ein gegenüber
liegendes reguläres
Tetraeder-Teil bei jedem der anderen Eckpunkte des regulären Tetraeder-Teils
konstruiert werden kann, welches durch die Drahtgruppen 4 bis 9 gebildet
wird. Daher kann eine dreidimensionale zelluläre Leichtgerippestruktur auf
solch eine Weise konstruiert werden, dass die obige Einheitszelle
wiederholt in dem dreidimensionalen Raum gebildet und kombiniert wird.
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Auf
diese Weise kann eine Einheitszelle ähnlich zu derjenigen des in 3 gezeigten
dreidimensionalen Kagome-Gerippes konstruiert werden durch oben
beschriebene Drahtanordnung von sechs Orientierungsdrähten, was
in 8 gezeigt ist.
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9 zeigt
ein dreidimensionales Kagome-Gerippeaggregat, welches unter Verwendung von
Drähten
in der oben beschriebenen Weise konstruiert ist. Sie zeigt eine
dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur 11 vom
Gerippetyp, in welcher die Einheitszelle in 7 oder 8 wiederholt
kombiniert ist.
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Wie
in 10 gezeigt, erscheint die dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur 11 vom
Gerippetyp unterschiedlich, je nach Blickrichtungen. Insbesondere
ist die Figur unten der 10 beinahe ähnlich zu
dem zweidimensionalen Kagome-Gerippe und
wird aus der Richtung eines Drahtes unter den sechs Orientierungsdrahtgruppen
gesehen. Das heißt,
die dreidimensionale zelluläre
Leichtstruktur 11 der Erfindung erscheint als dieselbe
Form und dasselbe Muster, wenn entlang der axialen Richtung jedes
der sechs Drähte
betrachtet, die sich mit dem gleichen Winkel (60 Grad oder 120 Grad) überkreuzen.
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Jeder
Kreuzungspunkt, bei welchem sich drei Drähte kreuzen, entspricht einen
Eckpunkt des regulären
Tetraeder-Teils. Wie in 11 gezeigt, überkreuzen
sich die Drähte
in zwei unterschiedlichen Modi, wenn von der rechten Front des Eckpunktes
betrachtet. Wie jeweils in den oberen und unteren Figuren der 11 gezeigt,
können
die drei Drähte auf
solch eine Weise überkreuzt
sein, dass sie sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn überlappen.
In dem Fall, wo die Drähte
sich in einem Überlappungsmuster
im Uhrzeigersinn überkreuzen, hat
der reguläre
Tetraeder, welcher eine Einheitszelle bildet, eine konkave Form,
wie in der oberen Darstellung der 12 gezeigt.
Wenn die Drähte
sich in einem Überlappungsmuster
im Gegenuhrzeigersinn überkreuzen,
hat die Einheitszelle eine konvexe Form. Nichtsdestotrotz können beide
Fälle in
einer zellulären
Leichtstruktur resultieren, die in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt
ist und eine ähnliche Struktur
zu dem idealen Kagome-Gerippe oder dem Oktett-Gerippe hat, wie unten
beschrieben.
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Im Übrigen hat
die zelluläre
Leichtstruktur, die in 10 gezeigt ist, dieselbe Drahtlänge zwischen
all den Kreuzungspunkten. Wenn die Drahtlänge einer Kante des Tetraeder-Teils
kürzer
gemacht wird, und diejenige des benachbarten Tetraeder-Teils relativ
länger
gemacht wird, kann eine Struktur ähnlich zu dem idealen Oktett-Gerippe
von 2 erhalten werden. In diesem Fall haben die zwei
regulären Tetraeder-Teile,
welche die Einheitszelle der zellulären Leichtstruktur bilden,
kein Ähnlichkeitsverhältnis von
1:1.
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13 zeigt
eine zelluläre
Leichtstruktur 12 ähnlich
zu dem oben beschriebenen Oktett-Gerippe.
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14 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
der Einheitszelle von 13, wo ein kleinerer Tetraeder-Teil
und ein größerer Tetraeder-Teil
sich gegenüber
liegen. In dem Falle, wo ein Kleber angewandt wird, um die Drähte an Ort
zu Stelle zu halten, ist der Innenraum des kleineren Tetraeder-Teils
mit dem Kleber gefüllt
und dient daher als ein Eckpunkt der Einheitszelle 13 eines
Oktett-Gerippes.
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Gemäß der Erfindung
wird auch ein Verfahren zum Herstellen der dreidimensionalen drahtgewobenen
zellulären
Leichtstruktur beschrieben.
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15 ist
ein Flussdiagramm, welches die Herstellungsprozeduren der dreidimensionalen
zellulären
Leichtstruktur gemäß der Erfindung
zeigt. Gemäß dem Herstellungsverfahren
der Erfindung wird ein elementares gleichseitiges Dreieck gebildet durch Überkreuzen
von drei Drähten 4, 5 und 6 in
einer Ebene. Dann wird ein elementarer regulärer Tetraeder (ein erstes reguläres Tetraeder-Teil)
auf solch eine Weise konstruiert, dass ein Draht 7 den
Kreuzungspunkt der Drähte 5 und 6 überkreuzt,
ein Draht 8 den Kreuzungspunkt der Drähte 4 und 5 überkreuzt,
ein Draht 9 den Kreuzungspunkt der Drähte 6 und 4 überkreuzt,
die drei Drähte 6, 9 und 7 werden so überkreuzt,
dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, die drei Drähte 4, 8 und 9 werden
so überkreuzt, dass
sei ein gleichseitiges Dreieck bilden und die drei Drähte 5, 7 und 8 werden
so überkreuzt,
dass sei ein gleichseitiges Dreieck bilden. Als Nächstes wird über dem
Eckpunkt des ersten Tetraeder-Teils, der durch die Drähte 4 bis 9 gebildet
ist, ein anderes elementares gleichseitiges Dreieck gebildet durch Überkreuzen
von drei Drähten 4', 5' und 6', wovon jeder
die gleiche Orientierung hat wie der Draht 4, 5 bzw. 6. Danach
wird ein anderer regulärer
Tetraeder (ein zweiter regulärer
Tetraeder-Teil) auf solch eine Weise konstruiert, dass die drei
Drähte 4', 8 und 9,
die drei Drähte 5', 7 und 8 und
die drei Drähte 6', 9 und 7 jeweils
so überkreuzt
werden, dass sei ein gleichseitiges Dreieck bilden. Dementsprechend,
auf beiden Seiten des Kreuzungspunktes (Eckpunkt), der durch die
drei Drähte 7, 8 und 9 gebildet
ist, sind der erste Tetraeder-Teil
(gebildet durch die Drähte 4, 5, 6, 7, 8 und 9)
und der zweite Tetraeder-Teil (gebildet durch die Drähte 4', 5', 6', 7, 8 und 9)
so konstruiert, dass sie einander gegenüber liegen und eine Einheitszelle bilden.
In derselben Weise wie oben werden die Drähte so angeordnet, dass ein
gegenüber
liegender Tetraeder-Teil an anderen Eckpunkten des ersten regulären Tetraeder-Teils
gebildet werden kann, der durch die sechs Drähte 4 bis 9 gebildet
ist, und somit kann eine Vielzahl von Einheitszellen wiederholt
gebildet werden, um dadurch eine dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur
der Erfindung herzustellen. In diesem Fall haben die ersten und
zweiten Tetraeder-Teile eine ähnliche
Form. In dem Fall, wo das Ähnlichkeitsverhältnis davon
1:1 ist, bilden sie eine Struktur ähnlich zu dem Kagorne-Gerippe.
Wenn das Ahnlichkeitsverhältnis
viel höher
als 1:1 ist, kommen sie dazu, eine Struktur ähnlich zu dem Oktett-Gerippe,
wie oben beschrieben, zu bilden.
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Das
Drahtmaterial der drei zellulären Leichtstruktur
vom Gerippetyp ist nicht besonders beschränkt, sondern kann Metalle,
Keramiken, Fasern, synthetische Harze, faserverstärkte synthetische
Harze oder Ähnliches
verwenden.
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Zusätzlich können die
Kreuzungspunkte unter den obigen Drähten 4, 5, 6, 4', 5', 6', 7, 8 und 9 fest
verbunden werden. In diesem Fall ist das Bindemittel nicht spezifisch
beschränkt,
sondern kann einen Kleber in flüssiger
oder Sprühform,
Hartlöten,
Löten,
Schweißen
und Ähnliches
verwenden.
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Weiterhin
gibt keine Beschränkung
in dem Durchmesser der Drähte
und der Größe der zellulären Leichtstruktur.
Zum Beispiel können
Eisenstäbe von
einigen zehn Millimetern im Durchmesser verwendet werden, um ein
Strukturmaterial für
Gebäude,
etc., herzustellen.
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Andererseits,
wenn Drähte
von einigen wenigen Millimeter verwendet werden, kann die resultierende
zelluläre
Leichtstruktur als eine Rahmenstruktur für verstärktes Verbundmaterial verwendet
werden. Wenn die dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur der Erfindung
z. B. als ein Grundrahmen verwendet wird, kann ein flüssiges oder
halbfestes Harz oder Metall in den freien Raum der Struktur gefüllt werden
und dann verfestigt werden, um dadurch ein bulk-versteiftes Verbundmaterial
herzustellen, das eine gute Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit
hat. Ferner kann, in dem Fall, wo die dreidimensionale zelluläre Leichtstruktur
vom Oktetttyp, der in 12 gezeigt ist, verwendet wird,
der kleinere der zwei Tetraeder- Teile,
welche die Einheitszelle bilden, mit Harz oder Metall gefüllt werden,
um ein poröses, verstärktes Verbundmaterial
herzustellen. Dieses verstärkte
Verbundmaterial ist isotrop oder beinahe isotrop und hat daher uniforme
Materialeigenschaften, unabhängig
von dessen Orientierung. Daher kann es in jegliche beliebige Formen
geschnitten werden. Auch sind die Drähte in allen Richtungen arretiert,
wodurch Schäden
wie Delaminierung oder Herausziehen von Drähten verhindert wird, welche
in den herkömmlichen
Verbundmaterialien auftreten können.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung
eine dreidimensionale zelluläre
Leichtstruktur, welche eine ähnliche
Form zu den idealen Kagome- oder Oktettgerippe hat und daher gute
Materialeigenschaften hat, auf eine kontinuierliche und kosteneffektive
Weise hergestellt werden.
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Herkömmlicherweise
wird jede Schichtstruktur zuerst hergestellt und dann laminiert
oder gegossen in die dreidimensionale Struktur. Daher ist die herkömmliche
Technik nachteilig in Begriffen von Herstellungskosten, was auf
ihren nicht kontinuierlichen Prozess zurückzuführen ist. Gemäß der Erfindung
kann eine dreidimensionale Struktur vom Gerippetyp kontinuierlich
hergestellt werden mittels eines durchlaufenden Prozesses in solch
einer Weise, durchgehende Drähte
in ein Gewebe zu weben, wodurch eine Massenherstellung und Kostensenkung ermöglicht wird.