DE19610022A1 - Mehrschichtiges Leichtbauelement und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtiges Leichtbauelement in Sandwichbauweise zur Herstellung von leichten oder ultraleichten Halbzeugen und Bauteilen für alle technischen Anwendungen, bei denen hohe Steifigkeit und hohe Festigkeit bei geringem Gewicht gefordert sind. Anwendungen bieten sich im Fahrzeugbau, Schiffsbau, Bauwesen, Landmaschinenbau, Verfahrenstechnik, Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau an.

Es sind Sandwichstrukturen mit voluminösen Kernstrukturen bekannt. Bei Sandwichbauteile mit Deckschichten aus Metall und faserverstärkten Kunststoffen wird die Kernstruktur aus polymeren Schaumstoff hergestellt.

Neben den polymeren Schaumstoffkernen werden neuerdings auch metallische Schaumstoffe eingesetzt. Die Herstellung der Sandwichplatten erfolgt durch ein thermisches Aufschäumen des pulverkompaktierten Vormaterials direkt zwischen den Metalldeckschichten im Schäumofen bzw. durch ein nachgeschaltetes Verkleben der Deckschichten mit zugeschnittenen Schaumkernen. Industrielle Anwendungen sind z. B. Formteile hoher Steifigkeit für Wärmeschutz, Schallminderung bzw. Vibrationsvermeidung im Fahrzeugbau, Maschinenbau oder Bauwesen.

Zur Substitution von Sandwichblechen mit FCKW-getriebenen PUR-Schaum­ stoffkernen dienen in Entwicklung befindliche Wärmedämmbleche mit evakuierter Kieselgurfüllung. Das hochporöse Kernmaterial stützt die Deckschichten aus Stahlfeinblech gegeneinander ab. Die Abdichtung des Innenraumes an den Sandwichrändern übernehmen spezielle Membranen.

Neben den voluminösen Kernstrukturen eignen sich insbesondere Blech-Stützkern-Verbunde für leichtbauspezifische Anwendungen. Hierbei werden Feinbleche über spezielle Kernkonstruktionen fügetechnisch miteinander verbunden.

Bekannt sind Wabenkernkonstruktionen mit laserstrahlgeschweißten Stegblechen, bei denen ein ein- oder zweiseitiges Verschweißen von Stegen auf Feinblechen aus Metallen erfolgt. Ein etwas anderer Weg wird bei der Verwendung von sogenannten Höckerblechen zur Stützkernstrukturbildung beschritten. Die mittels hydrostatischem Streck-Stülp-Umformen in Feinbleche eingebrachten Nebenformelemente erhöhen die Biegesteifigkeit des Ausgangsbleches, wobei die Anordnung der Höcker unmittelbaren Einfluß auf die Steifigkeitssteigerung hat. Bei der praktischen Realisierung werden die Höcker direkt als Abstandshalter zwischen den Blechen genutzt.

Analoge Wirkprinzipien verfolgen Stützkernkonstruktionen mit walzprofilierten Trapezblechen. Auch hier entscheidet die Kombination aus Glattblechen und Trapezblechen über die Gesamtsteifigkeit des Verbundes. Durch das Fügen von je einem Glattblech und Trapezblech resultiert ein unidirektional versteifter Verbund längs der Walzrichtung. Bei Verwendung von zwei Glattblechen als Deckschicht wirkt das Trapezblech als Stützkern.

Eine weitere Stützkernbauweise stellt der Blechverbund mit einer Zwischenlage aus Drahtgewebe oder Streckmetall dar. Diese im Vergleich zu den o.g. Verbunden dünnwandige Leichtbaustruktur ist insbesondere für den Einsatz als gewichtsoptimiertes steifes Karosserieblech geeignet.

Eine andere Lösung für ein Leichtbauhalbzeug stellt das sogenannte Twinblech dar. In einem zweiseitigen, punkt- oder linienförmig verschweißten Blechverbund werden durch einseitiges Aufbringen einer Druckspannungsschicht mittels Kugelstrahlens Aufwölbungen indiziert, die zu einer Steifigkeitserhöhung führen.

Die bekannten Herstellungsverfahren von Sandwichstrukturen mit filigranem Stützkern sind in der Regel technologisch sehr aufwendig. Marktgängige Sandwichhalbzeuge lassen sich bei komplexen Strukturen selbst unter großem Aufwand den betrieblichen Belastungen nur in Ansätzen anpassen. Dies ist darin begründet, daß die Steifigkeit des globalen Verbundes sich grundsätzlich nur geringfügig variieren läßt und dem Stabilitätsverhalten der Abstands- und Nebenformelemente weniger Beachtung geschenkt wird. Die derzeitigen mehrschichtigen Leichtbaustrukturen sind insbesondere bei Ausführung in Stahl noch nicht von den Regeln des Gestaltleichtbaus durchdrungen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stützkernstruktur mit optimaler Festigkeitsausnutzung und sehr geringem Gewicht zu schaffen, die einfach herstellbar ist und bei der die Steifigkeitseinstellung beanspruchungsgerecht erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Anordnungsmerkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche 2 bis 5 gegeben.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird durch den Unteranspruch 7 gegeben.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß der Stützkern aus Stegelementen mit abgewinkelten Auflageflächen gebildet wird, und die Deckplatten mit den Auflageflächen der Stegelemente verbunden sind.

Vorteilhaft wird der Stützkern aus einer etwa ebenen Platte oder gekrümmten Schale gebildet wird, aus der filigrane Stege mit abgewinkelten Auflagefläche herausgebildet sind. Die Stege können in einem Winkelbereich von 0° < ϕ 90° zur Schmiegebene variiert werden, wobei die Auflageflächen parallel zu den aufzubringenden Deckschichten eingestellt werden, um einen optimalen Verbindungsanschluß zwischen Deckschicht und Stützkern zu erreichen.

Durch die Variation des Stegwinkels läßt sich die Steifigkeit des Stützkern-Verbundes den gewünschten Eigenschaften anpassen. Hierbei lassen sich u. a. sowohl beulsteife als auch dämpfungsoptimierte Verbunde gezielt einstellen. Bei Stegwinkeln unter 90° lassen sich auch "weiche" Stützkernstrukturen herstellen. Darüber hinaus bieten zusätzlich viskoelastische Schichten oder Isolierschichten zwischen den Auflageflächen und den Deckschichten eine wesentliche Erweiterung des physikalischen Eigenschaftsprofils (Körperschall, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Dämpfung). Dabei kann eine partielle Beschichtung der Auflagefläche oder eine Beschichtung von Auflagefläche und Steg sowie der Gitterstrukturen vorgenommen werden. Die Beschichtung erfolgt mit metallischen, keramischen oder polymeren Stoffen entsprechend dem geforderten physikalischen Eigenschaftsprofils. Möglich ist auch der Einsatz von beschichteten Ausgangsmaterial für die Platte oder Schale.

Hoher Stellenwert für die Halbzeug- und Bauteileigenschaften kommt der Verbindungsart zwischen Auflagefläche und Deckschicht zu. Dabei sind grundsätzlich alle bekannten kraft-, stoff- und formschlüssigen Fügungen und deren Kombinationen möglich. So kann die Verbindung mit den Deckschichten durch Verbindungsarten wie Schrauben, Schweißen, Kleben, Löten oder umformtechnische Fügeverfahren wie Nieten, Durchsetzfügen, Clinchen, Stanznieten oder durch Kombinationen der unterschiedlichen oben aufgeführten Verbindungsarten erfolgen. Der betriebliche Belastungsfall bestimmt jeweils die Art der optimalen Fügung.

Vorteilhaft kann die Stegsteifigkeit beim Ultraleichtbau individuell durch Einbringen von steifigkeitserhöhenden Nebenformelementen (Sicken, Umfalzungen) oder Einbringen von symmetrischen und unsymmetrischen Aussparungen beeinflußt werden.

Gewichts- und beanspruchungsgerechte Stegbleche für den Stützkern lassen sich aus allen formstabilen Materialien wie metallische, keramische, polymere und biologisch abbaubare Werkstoffe und deren Verbunden mit und ohne Verstärkungen in Form von Partikeln und Fasern herstellen.

Aus der gewählten Perforierung der ebenen Platte oder gekrümmten Schale ergeben sich nach Ausrichtung der Stege sowohl für die einseitig als auch beidseitig mit Stegen besetzte Gitterstruktur für Sekundärmaßnahmen günstige Montage-, Medien- und Installationskanäle.

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stützkern mit einseitig ausgestellten Stegen,

Fig. 2 einen zu Fig. 1 gehörigen Schnittplan,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Stützkern mit beidseitig ausgestellten Stegen mit beidseitigen Deckplatten,

Fig. 4 einen zu Fig. 3 gehörigen Schnittplan,

Fig. 5 eine analoge Darstellung zu Fig. 1 mit geänderter Steganordnung,

Fig. 6 einen zu Fig. 5 gehörigen Schnittplan,

Fig. 7 einen einzelnen Steg mit Langlochaussparung,

Fig. 8 einen einzelnen Steg mit beidseitigen Aussparungen,

Fig. 9 einen einzelnen Steg mit einseitiger Aussparung,

Fig. 10 einen einzelnen Steg mit ausgebildeter Sicke,

Fig. 11 einen der Fig. 7 entsprechenden Schnittplan,

Fig. 12 einen der Fig. 8 entsprechenden Schnittplan,

Fig. 13 einen der Fig. 9 entsprechenden Schnittplan.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Stützkern mit einseitig ausgestellten Stegen 2 dargestellt. Die Stege 2 weisen abgewinkelte Auflageflächen 3 auf, deren Abwinkelung parallel zum Verlauf der Deckplatte erfolgt. Nach der Fig. 1 bildet eine etwa ebene Platte das Ausgangsmaterial, von dem nach dem Ausstellen der Stege 2 eine Gitterstruktur 1 verbleibt. Die Gitterstruktur 1 kann selbst die Auflagefläche für eine Deckplatte bilden oder offen gehalten werden. Der Winkel ϕ entspricht dem Grad der Ausstellung der Stege 2 und beträgt hier 90° zur Schmiegebene.

Die Fig. 2 stellt den zur Fig. 1 gehörigen Schnittplan der ebenen Platte dar. Die durchgezogenen Linien bildet hier die Schneidlinien 8 und die gestrichelten Linien die Biegekante 9 für die Stege 2 und die Auflageflächen 3.

An Hand von Fig. 1 und Fig. 2 wird die Verfahrensgestaltung anschaulich. Zunächst wird hier die ebene Platte mit den notwendigen Schneidlinien 8 und Biegekanten 9 versehen. Im Anschluß daran erfolgt die Ausstellung der Stege 2 und Abkantung der Auflageflächen 3. Für die Verfahrensgestaltung eignen sich alle Trenn- sowie Biege- und Abkantverfahren.

Die Fig. 3 zeigt einen Stützkern, der beidseitig ausgestellte Stege aufweist. An der Oberseite ist auf den Auflageflächen der Stege eine Deckplatte 4 und auf der Unterseite eine Deckplatte 5 aufgebracht.

Zur Herstellung eines Stützkernes nach Fig. 3 wird eine ebene Platte entsprechend dem Schnittplan nach Fig. 4 vorbereitet.

Die Fig. 5 und 6 stellen einen analogen Stützkern und Schnittplan dar, wobei das Stegfeld eine nahezu kontinuierliche Verteilung aufweist.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen einzelne Stege, die entsprechend den Anforderungen an den Stützkern mit Aussparungen 6 oder mit einer Sicke 7 versehen sind.

Die Gestaltung der Stege nach den Fig. 7 bis 10 erfordert die Einbringung von Aussparungen 6 bzw. Sicken 7 in die ebene Platte. Die zugehörigen Schnittpläne sind in den Fig. 11 bis 13 dargestellt.

Claims (7)

1. Mehrschichtiges Leichtbauelement mit einen Stützkern bildenden Elementen und ein- oder beidseitigen Deckplatten (4; 5), aus metallischen, keramischen, polymeren oder biologisch abbaubaren Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stützkern bildenden Elemente Stege (2) sind, die an ihren Enden abgewinkelte Auflägeflächen (3) aufweisen, und die Deckplatten (4; 5) mit den Auflageflächen (3) verbunden sind.

2. Mehrschichtiges Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkern aus einer etwa ebenen Platte oder gekrümmten Schale mit ausgestellten filigranen Stegen (2) gebildet wird, die Stege (2) eine abgewinkelte Auflagefläche (3) aufweisen, wobei die Deckplatten (4; 5) mit den Auflageflächen (3) der Stege (2) und/oder der Gitterstruktur (1) des Stützkernes verbunden sind.

3. Mehrschichtiges Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (2) mit einem Winkel (ϕ) zur Schmiegebene in einem Bereich von 0° < ϕ 90° ausgestellt sind.

4. Mehrschichtiges Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (2) Aussparungen (6) und/oder Sicken (7) aufweisen.

5. Mehrschichtiges Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ϕ) und/oder die Länge der Stege (2) über die Fläche der Gitterstruktur (1) variiert.

6. Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Leichtbauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Schneidlinien (8) und Biegekanten (9) für die Stege (2) nach einem Schnittplan festgelegt werden und entlang der Schneidlinien das Ausgangsmaterial geschnitten wird, anschließend die Stege (2) mit einem vorgegebenen Winkel (ϕ) ausgestellt werden, und die Enden der Stege (2) eine abgewinkelte Auflagefläche (3) erhalten, und abschließend Deckplatten (4; 5) mit den Auflageflächen (3) und/oder der Gitterstruktur (1) durch stoff-, form- oder kraftschlüssige Verbindungsverfahren oder kombinierte Verbindungsverfahren verbunden werden, wobei die Auflageflächen (3) parallel zu den Deckplatten (4; 5) verlaufen.

7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausstellen der Stege (2) die Stege (2) mit Ausklingungen (6) und/oder Sicken (7) versehen werden.