DE19724361A1 - Bauelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein
Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
29.
Solche Bauelemente werden häufig, aber nicht ausschließlich in der Bauindustrie ver
wendet. Aus der DE 41 37 649 A1 ist ein Bauelement bekannt geworden, welches im
wesentlichen Kunststoff mit einem ersten niederen Elastizitätsmodul und mit einer in
nerhalb des Bauelementes befindlichen Schicht aus einem Material, das einen zweiten,
wesentlich höheren Elastizitätsmodul aufweist. Diese Schicht, die bevorzugt aus einer
Aluminiumlegierung besteht, weist eine Systemebene auf, entlang der sich die profi
lierte Schicht erstreckt. Bei beispielsweise einem plattenförmigen Element liegt die Sy
stemebene in einer Querachse des plattenförmigen Bauelementes und die Schicht ist
trapezförmig ausgebildet, wobei die Schicht punktsymmetrisch zur Systemebene
verläuft. Die im wesentlichen parallel zur Außenwand verlaufenden Abschnitte der tra
pezförmigen Schicht sind durch diagonal verlaufende Abschnitte miteinander verbun
den, so daß wechselseitig zur Systemebene ein im wesentlichen parallel zur
Außenschicht verlaufender Abschnitt der Schicht vorgesehen ist. Durch das Einlagern
einer derartigen Schicht in ein aus Kunststoff mit einem niederen Elastizitätsmodul be
stehendes Bauelement kann der Bauteilelastizitäts-Modul um beispielsweise 5 bis 15%
erhöht werden. Dabei dienen die diagonal verlaufenden Abschnitte der Schicht, die die
Systemebene durchqueren, als Schubbrücken, wodurch die auf das Bauelement wir
kenden Schubkräfte besser aufgenommen werden können und der Bauteilelastizitäts-
Modul erhöht werden kann.
Aus der DE 41 37 649 A1 ist des weiteren ein I-Träger bekanntgeworden, der analog
dem plattenförmigen Bauelement ausgebildet ist. In dem I-Träger ist eine Schicht ein
gebracht, die einen Kopf- und einen Fußbereich aufweist, die durch einen zickzack
förmigen Mittelbereich miteinander verbunden sind. Dieser Mittelbereich bildet eine
Schubbrücke zwischen dem Kopf- und Fußbereich der Schicht, die in dem Bauelement
eingelagert ist. Somit können die auf das Bauelement wirkenden Kräfte besser aufge
nommen werden, da durch diese Schicht eine Erhöhung des gesamten Elastizitätsmo
duls gegenüber einem Bauelement ohne eine derartige Schicht erreicht wurde.
Derartige Bauelemente sind zwar gegenüber den bisherig bekannten Bauelementen
aus Holz oder einer Holzschichtverleimung in bezug auf die Entsorgung, Recycelbarkeit
überlegen. Jedoch erfordert die Ausbildung und Ausgestaltung der Schichten mehrere
Arbeitsgänge zu dessen Profilierung, so daß die Herstellung auch aufgrund der Einbin
dung der profilierten Schicht in das Bauelement kosten intensiv ist. Der Bauteil-
Elastizitätsmodul von Bauelementen aus Kunststoff mit eingelagerten Schichten konnte
gegenüber den aus Holz ausgebildeten bzw. durch eine Phenol-Harz-Verleimung ver
bessert werden, jedoch ist der Anwendungsbereich aufgrund des relativ niederen
Bauteil-Elastizitätsmoduls begrenzt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zu schaffen, das
einfach herstellbar ist und eine Erhöhung der Belastbarkeit aufgrund eines durch die
Konstruktion bedingten höheren Bauteil-Elastizitätsmoduls ermöglicht. Des weiteren
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des Bauele
ments zu schaffen, das eine kostengünstige Produktion des erfindungsgemäßen
Bauelements mit einem hohen Ausstoß an Bauelementen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des An
spruchs 29 gelöst.
Das erfindungsgemäß ausgestaltete Bauelement weist den Vorteil auf, daß durch eine
einfache Anordnung und Ausgestaltung der mit einem zweiten höheren
Elastizitätsmodul ausgebildeten und in den Kunststoffkörper eingelagerten Schichten
eine zumindest 1 1/2fache Erhöhung des Bauteil-Elastizitätsmoduls gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Bauelementen erzielt werden kann. Dafür ist
vorgesehen, daß zwei getrennt voneinander angeordnete und die Systemebene durch
querende Schichten mit einem zweiten höheren Elastizitätsmodul in das Bauelement
zwischen einer Innenschicht und Außenschicht eingebracht sind. Diese Schichten wei
sen einen Kreuzungspunkt mit der Systemebene auf, die vorteilhafterweise möglichst
weit zueinander beabstandet und nahe dem Wandbereich des Bauelementes angeord
net sind. Dadurch kann ein sogenannter Sandwich-Aufbau gegeben sein, wodurch eine
aus Kunststoff bestehende Kernschicht durch eine obere und untere Schicht mit einem
zweiten höheren Elastizitätsmodul begrenzt ist, die wiederum mit zumindest einer aus
Kunststoff bestehenden Außenschicht überdeckt sein kann.
Die Schichten mit dem zweiten höheren Elastizitätsmodul sind nicht unmittelbar mitei
nander verbunden, d. h. daß die die Systemebene durchquerenden Abschnitte, die eine
Schubbrücke bilden, weggelassen wurden. Es wäre zu erwarten gewesen, daß bei ein
er derartigen Konfiguration durch Berechnungen nach dem Steiner′schen Satz eine
geringere Belastbarkeit bzw. eine geringere Bauteilsteifigkeit zu erzielen wäre, da eine
Verbundwirkung zwischen einer oberen und einer unteren Schicht durch den fehlenden
Mittelbereich bzw. der Schubbrücke nicht gegeben sei. Es wurde angenommen, daß
ein Aufbau unter Weglassung einer Schubbrücke nicht als Gesamtbauelement wirkt,
sondern vielmehr wie zwei zueinander parallel geschaltete Bauelemente, die sich ge
genseitig nur geringfügig beeinflussen. Außerdem wurde angenommen, daß das Krie
chen durch die fehlende Schubbrücke nicht verhindert wird.
Entgegen dieser Auffassung hat es sich jedoch gezeigt, daß gerade durch diese Konfi
guration, wonach eine obere und untere Schicht getrennt voneinander in einem Rand
bereich der Außenschichten eines Bauelementes angeordnet werden, eine Erhöhung
der Bauteilsteifigkeit um zumindest den Faktor 1,5 ermöglicht sein kann.
Diese Erhöhung der Bauteilsteifigkeit beruht nach den Kenntnissen zum Anmeldezeit
punkt zum einen darauf, daß im wesentlichen durchgehende Schichten im Randbereich
des Bauelementes verwendet werden, die eine bessere Kraftaufnahme ermöglichen.
Im Gegensatz hierzu ist aus dem plattenförmigen Bauelement gemäß dem Stand der
Technik bekannt, daß aufgrund der trapezförmigen Ausbildung der Schicht nur Teil
abschnitte, die im Randbereich nicht miteinander in Verbindung stehen, vorgesehen
sind, wodurch bei Biegebeanspruchungen eine geringere Lastaufnahme gegeben ist.
Zum anderen kann durch die Sandwich-Konstruktion dennoch eine Verbundwirkung er
reicht werden, so daß sich durch das Zusammenwirken der Innenschicht mit den die In
nenschicht begrenzenden Schichten mit höherem Elastizitätsmodul und die an diesen
Schichten aufgebrachten Außenschichten eine Erhöhung des Bauteil-Elastizitätsmo
duls erzielen läßt. Außerdem hat sich gezeigt, daß das Kriechverhalten direkt von den
hohen Zugspannungen in der äußersten Zone und von der Schubbrückenausbildung
abhängig ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Schichten einen
Haftvermittler aufweisen. Dadurch kann eine vollflächige Verbindung zwischen der In
nenschicht und der Außenschicht zu den Schichten mit höherem Elastizitätsmodul
ermöglicht sein.
Des weiteren weist der vorzugsweise auf beiden Seiten aufgebrachte Haftvermittler den
Vorteil auf, daß bei der Herstellung während des Abkühlprozesses sich die Verbindung
der Kunststoffschichten und den Schichten, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegier
ung, nicht lösen. Die Wärmeausdehnung von einer Aluminiumlegierung ist geringer als
die von Kunststoff. Durch den Haftvermittler kann der abkühlende Kunststoff dennoch
eine gute Verbindung zur Schicht beibehalten. Vorzugsweise wird eine geschäumte In
nenschicht verwendet, deren Schäumungsgrad zur Mittelachse zunimmt, so daß elas
tische Verschiebungen möglich sind, die zusätzlich dazu beitragen, daß die Verbindung
nicht gelöst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente weist den
Vorteil auf, daß auf einfache Weise eine kontinuierliche Herstellung von Bauelementen
ermöglicht ist. Bei diesem Verfahren können über eine Koextrusionsdüse die für das
gesamte Bauelement benötigten Materialien zur Ausbildung der einzelnen Schichten
des Sandwich-Aufbaus gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig zugeführt und verarbeitet
werden. Anschließend werden die Schichten als Verbund einer Kalibrierung zugeführt.
Die durch eine Innenschicht getrennten und zueinander beabstandeten Schichten
können von einem Blechwickel (coil) abgezogen und einer Oberseite und Unterseite
der Innenschicht zugeführt werden. Des weiteren kann gleichzeitig über die Koextru
sionsdüse eine Außenschicht auf die Schichten aufgetragen werden. Der Koextru
sionsdüse kann in kurzem Abstand eine Kalibrierung nachgeschalten sein. Dadurch ist
möglich, daß die Innenschicht, die einen hohen Schäumungsanteil von mindestens
30% aufweisen kann, unmittelbar der Kalibrierung zugeführt wird. Der Ausschäumvor
gang erfolgt somit ausschließlich in der Kalibrierung. Die beiden Schichten können von
einer Längsmittelachse aus gesehen durch die ausschäumende Innenschicht in einen
oberen und unteren Randbereich gedrückt werden, so daß die Kreuzungspunkte der
Schichten mit der Systemebene weit zueinander beabstandet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den weiteren
Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrie
ben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein plattenförmiges Bauelement,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen I-Träger,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein Winkelprofil,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch ein T-Profil und
Fig. 5 einen Kurvenverlauf über den Querschnitt, der qualitativ angibt, wie das
Verhältnis von Kunststoffmaterial zu Hohlräumen ist und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung des Ver
fahrens und Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein plattenförmiges Bauelement 11 dargestellt. Diese
Bauelemente 11 können für den Einsatz in der Bauindustrie eine Dicke im wesentlichen
von 12 bis 23 mm aufweisen. Die Länge und Breite können in Abhängigkeit der Anwen
dungsfälle vorgesehen sein, wobei bevorzugt eine Breite zwischen 1 bis 2 m und eine
Länge von 2,5 bis 6 m vorgesehen ist.
Das Bauelement 11 weist eine Systemebene 12 auf, die einer Hochachse des plat
tenförmigen Bauelementes 11 entspricht. Eine Innenschicht 13 bzw. eine Kernschicht
des plattenförmigen Bauelementes 11 besteht aus einem Kunststoff, der in Abhängig
keit der Anwendung einen entsprechenden Elastizitätsmodul aufweisen kann. Vorteil
hafterweise wird ein geschäumter Kunststoff vorgesehen, dessen Schäumgrad
zwischen 20 bis 50% liegt. Die Innenschicht 13 wird bevorzugt aus einem relativ billi
gen Material hergestellt, wie beispielsweise Polypropylen, das recycelt wurde. Die In
nenschicht 13 kann zusätzlich mit Materialien, die die Festigkeit erhöhen, aufgefüllt
werden. Dies können beispielsweise Zusätze wie Talkum und/oder Glasfasern sein.
Talkum hat gegenüber den Glasfasern den Vorteil, daß es isotrop reagiert, wohingegen
die Glasfasern bei der Erwärmung einer Vorzugsrichtung unterliegen, die sich ggf.
nachteilig auswirken kann.
Die Innenschicht 13 des Bauelementes 11 ist durch eine obere Schicht 14 und eine un
tere Schicht 15 begrenzt. Die Schichten 14, 15 erstrecken sich im wesentlichen
vollständig über die gesamte Breite des Bauelementes 11 und durchqueren die Sy
stemebene 12 in einem Kreuzungspunkt 16 und 17. Die Schichten 14, 15 sind aus
Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wie beispiels
weise AlMgSi 0,5 ausgebildet. Alternativ können weitere leichtmetallische Materialien,
aber auch Metalle eingesetzt werden. Des weiteren können zur Versteifung Gewebe,
Matten oder Gewirke vorgesehen sein, die richtungsabhängig entsprechend der Haupt
belastungsrichtung eingearbeitet werden. Die Schichten 14, 15 sind eben und
vollflächig ausgebildet und erstrecken sich im wesentlichen vollständig über die ge
samte Breite des plattenförmigen Bauelementes 11. Alternativ kann vorgesehen sein,
daß eine gelochte und/oder gewellte und/oder trapezförmige oder dergleichen ausgebil
dete Schicht oder ggf. eine als Hohlprofil ausgebildete Schicht eingelegt wird.
Die Schichten 14, 15 sind als Folien bzw. Bleche ausgebildet und weisen in Abhängig
keit des Abstandes zueinander und der aufzunehmenden Kräfte als auch in Abhängig
keit des für die Innenschicht 13 verwendeten Materials eine Dicke von 0,25 bis 3 mm
auf. Um mit den Kunststoffmaterialien eine Verbundwirkung zu erzielen, ist es erforder
lich, daß die Schicht 14, 15 relativ dünn ausgebildet ist. Dies weist den Vorteil auf, daß
sich die Bauelemente 11 leicht nageln und/oder sägen lassen, insbesondere wenn eine
Schicht aus Leichtmetall eingesetzt wird.
Auf den Schichten 14, 15 ist eine Außenschicht 18 vorgesehen, die ebenfalls aus
Kunststoff besteht. Für diese Außenschicht 18 kann derselbe Kunststoff wie für die In
nenschicht 13 verwendet werden. Bevorzugt wird für die Außenschicht 18 ein un
geschäumter Kunststoff verwendet, der beispielsweise ein Polyamid und/oder
Polypropylen ist. Die Außenschicht ist mit Glasfasern gefüllt, wobei ein Glasanteil
zwischen 20 und 40% vorgesehen ist. Dadurch kann eine Außenschicht 18 geschaffen
sein, die gegenüber der Innenschicht einen höheren Elastizitätsmodul aufweist. Um
baustellengerecht zu sein, ist die Außenschicht 18 als hochfeste Schicht ausgebildet. In
dieser Außenschicht 18 können Additive eingearbeitet sein, um die Außenschicht 18
witterungsbeständig und/oder UV-beständig und/oder schlagzäh auszubilden. Die
verschleißfeste Außen
schicht 18 beträgt eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 mm. Grundsätzlich ist vorgesehen,
daß die Dicke der Außenschicht 18 in etwa 10% der Gesamtdicke des Bauelementes
11 umfaßt.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf die Außenschicht 18
eine Gleitschicht 19 aufgebracht. Diese hat im wesentlichen die Aufgabe, daß bei einer
kontinuierlichen Herstellung der plattenförmigen Bauelemente 11 geringere Abzugs
kräfte benötigt werden, um das Bauelement 11 leicht aus einer Kalibrierung heraus
zufördern. Für die Gleitschicht 19 ist ein Thermoplast, beispielsweise Polypropylen mit
Additiven vorgesehen, der gute Gleiteigenschaften aufweist. Des weiteren können be
tonabweisende oder UV-feste oder witterungsfeste Additive enthalten sein. Die Gleit
schicht 19 ist mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,2 mm hinreichend dick.
Die Seitenflächen 21, 22 des Bauelementes 11 können im Gegensatz zum Holz offen
ausgebildet sein. Die Schichten 14, 15 können sich bis zu den Seitenflächen 21, 22 er
strecken oder mit geringem Abstand zu den Seitenflächen angeordnet sein. Die ver
wendeten Kunststoffe nehmen im wesentlichen kein Wasser auf und es kann auch
kein Wasser zwischen die einzelnen Schichten 13, 14, 15, 18, 19 eindringen. Dadurch
kann ein weiterer Arbeitsgang zum Verschließen der Seitenflächen und somit Kosten
eingespart werden.
Durch eine Sandwich-Bauweise für ein plattenförmiges Bauelement 11 gemäß Fig. 1
kann eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls um zumindest den Faktor 1,5 gegenüber
aus dem Stand der Technik bekannten plattenförmigen Bauelementen mit einer tra
pezförmig ausgebildeten Schicht ermöglicht sein. Das aus der DE 41 37 649 A1 be
kannte plattenförmige Bauelement mit einer trapezförmigen Aluminiumschicht weist
beispielsweise ein Bauteilelastizitäts-Modul von in etwa 2200 N/mm² auf. Bei Verwen
dung derselben Materialien kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des plat
tenförmigen Bauelementes 11 mit einem Aluminiumblech, das einen in etwa 40%igen
Lochanteil aufweist, ein Bauteilelastizitäts-Modul von ungefähr 3500 N/mm² erzielt wer
den und bei einem vollflächig ausgebildeten Aluminiumblech ein Bauteilelastizitäts-
Modul über 5000 N/mm² erzielt werden. Diese Steigerung des Elastizitätsmoduls be
ruht im wesentlichen darauf, daß die Schichten 14, 15 beidseitig eine Haftvermittlungs
schicht aufweisen, damit mit der Innenschicht 13 und der Außenschicht 18 eine im
Idealfall stoffschlüssige Verbindung geschaffen werden kann. Dadurch kann eine
Erhöhung der Steifigkeit des plattenförmigen Elementes 11 bei einer einwirkenden Bie
gekraft oder Schubspannung gegeben sein. Die Schichten 14, 15 wirken dann nicht -
wie zunächst angenommen wurde - als lose Lagen, die übereinanderliegend angeord
net sind und somit eine gegenseitige Beeinflussung ausschließen würden. Es hat sich
erstaunlicherweise gezeigt, daß der aufgeschäumte Kunststoff der Innenschicht 13 als
auch die Außenschicht 18 in Verbindung mit einem Haftvermittler zu den Schichten 14,
15 eine hohe Haftung aufweisen und gegenüber dem Stand der Technik höhere Bie
gesteifigkeiten, die sich aus dem Elastizitätsmoduls multipliziert mit dem Flächenträg
heitsmoment ergeben, erreichbar sind.
Bei der Ausgestaltung eines plattenförmigen Bauelementes 11 ist die Verhältnismäßig
keit der Stärke der einzelnen Schichten 13, 14, 15, 18, 19 als auch die Materialauswahl
für die jeweiligen Schichten 13, 14, 15, 18, 19 zu beachten. Bei einer Überbeanspru
chung des Bauelementes 11 können zwei Effekte auftreten: Zum einen kann zuerst die
Außenschicht reißen, wodurch es dann zum Bruch der Schicht 14, 15 bis zum völligen
Bruch des Plattenelementes kommen kann. Zum andern kann zuerst die Kernschicht
versagen, da die Schubspannung zu groß wurde und die Schubfestigkeit nicht hinrei
chend groß war, wodurch es ebenfalls zum Bruch von Plattenelementen kommen kann.
Im ersten Fall bedeutet dies, daß die Außenschicht 18 die Randfaserdehnung nicht
mehr aufnehmen kann, was darauf hindeutet, daß die Außenschicht 18 elastischer oder
dicker auszubilden wäre. Des weiteren kann zur Vermeidung diese Falles die
Maßnahme ergriffen werden, daß die Schicht 14, 15 dicker und somit das Bauteil derart
steif wird, daß die Randfaserdehnung verringert wird.
Im zweiten Fall kann die Dicke der Innenschicht 13 erhöht werden oder ein anderes
Kunststoffmaterial mit höheren Festigkeitseigenschaften ausgewählt werden. Ferner
kann vorgesehen sein, daß zur Erhöhung der Steifigkeit der Innenschicht 13 der
Schaumanteil verringert und der Talkum und/oder Glasfaseranteil erhöht wird.
Aus den oben genannten Fällen wird die Abstimmung der Materialien aufeinander deut
lich. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen dem ersten höheren und dem zwei
ten niederen E-Modul 3-5 : 1 sein, wobei der niedere E-Modul im Bereich zwischen 600-1200 N/m²
liegen kann. Weitere größere und kleinere Verhältnisse können auch in
Abhängigkeit des Haftvermittlers sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Bauelement mit einer Plattendicke von 20 mm
weist eine 17 mm starke Innenschicht aus geschäumtem Polypropylen mit einem
20 bis 40%igen Anteil Talkum auf. Die Schicht 14, 15 besteht aus einer 0,3 mm star
ken Folie aus einer Aluminiumlegierung AlMgSi 0,5 mit beidseitig aufgetragenem Haft
vermittler. Die Außenschicht 18 ist ein ungeschäumtes PP mit einem 30 bis 40%igem
Glasfaseranteil, die 1 mm stark ist und von einer 0,1 mm Gleitschicht 19 abgeschlossen
ist.
In Fig. 2 ist ein I-Träger 23 dargestellt, der entlang der Systemebene 12 einen analo
gen Aufbau zum plattenförmigen Bauelement 11 aufweist. Die Schichten 14, 15 sind
mit ihren Kreuzungspunkten 16, 17 möglichst weit zueinander beabstandet, so daß die
Schichten 14. 15 mit einem höheren Elastizitätsmodul möglichst nahe an dem Rand
bereich eines Querbundes 24 und 26 angeordnet sind, um bei einer Durchbiegung ei
nen größtmöglichen Einfluß auf die Randfaserdehnung zu ermöglichen. Die Schichten
14, 15 betragen in diesem Ausführungsbeispiel in etwa 1 mm. Anwendungsspezifisch
kann es möglich sein, daß eine der beiden Schichten 14, 15 stärker als die andere aus
gebildet ist. Ein derartiger I-Träger wäre dann dergestalt anzuordnen, daß der Quer
bund 26 mit der dickeren Schicht 15 die maximale Randfaserdehnung aufnehmen
müßte. In Seitenflächen des Querbundes 24, 26 und im Mittelsteg 27 liegen die Innen
schicht 13 und Außenschicht 18, sowie die Gleitschicht 19 unmittelbar aneinander.
Dadurch kann der I-Träger 23 rundum eine verschleißfeste Schicht aufweisen und
baustellengerecht ausgebildet sein.
Bei beispielsweise einer Ausgestaltung eines I-Trägers 23 mit einer Schicht 14, 15 von
beispielsweise 1 mm und einer Innenschicht 13, die eine Schubspannung von in etwa
2,5 N/mm² aufnehmen kann, müßte gemäß der Gleichung, wonach die Schubspannung
gleich dem Quotienten aus der Querkraft zu den Flächen des Mittelbereiches bzw.
Steges ist, bei einer Höhe des I-Trägers 23 von 160 mm der Mittelbereich 27 eine
Breite von 50 mm aufweisen, um eine Querkraft von 20 kN aufnehmen zu können.
Im übrigen gelten auch die für das Bauelement 11 ausgeführten alternativen
Ausführungsformen bzw. beliebige Kombinationen miteinander für den I-Träger 23 und
umgekehrt.
In Fig. 3 ist ein Winkelprofil 31 dargestellt, das im wesentlichen symmetrisch zur Sy
stemebene 12 ausgebildet ist. Die Schichten 14, 15 laufen im wesentlichen parallel zur
Außenfläche 32, 33 und sind nahe zu den Außenflächen 32, 33 angeordnet.
In Fig. 4 ist ein T-Träger 41 dargestellt, der entlang der Systemebene 12 einen analo
gen Aufbau gemäß dem Bauelement 11 aufweist. Bei dem T-Träger 41 kann vorteilhaf
terweise vorgesehen sein, daß die Schicht 15 gegenüber der Schicht 14 dicker
ausgebildet ist, um aufgrund der geringeren Breite, die das freie Ende des vertikalen
Steges aufweist, die auftretenden Durchbiegungen besser aufnehmen zu können. Die
Schicht 15 kann beispielsweise doppelt so dick als die Schicht 14 ausgebildet sein.
Dies wird im wesentlichen dann der Fall sein, wenn die Schicht 14 und die Schicht 15
aus demselben Material gebildet sind. Die Schichten 14, 15 können auch gleich dick
ausgebildet sein, wobei dann unterschiedliche Materialien einsetzbar sein können, so
daß beispielsweise die Schicht 14 aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist und die
Schicht 15 aus einem Stahlblech oder dergleichen ausgebildet ist. Dabei kann in
Abhängigkeit der Elastizitätsmodule die Abmessung in der Dicke auch angepaßt
werden.
Der Einsatz von unterschiedlichen Materialien und im wesentlichen gleichen Dicken
oder von gleichen Materialien und unterschiedlichen Dicken kann auch bei sämtlichen
anderen Ausführungsformen vorgesehen sein.
In Fig. 5 ist ein Diagramm entlang der Systemebene 12 dargestellt. Die Außenflächen
18, 19 weisen eine Dichte von jeweils 100% auf. Die Innenschicht 13 ist aus
geschäumt, d. h. daß im mittleren Bereich bei einem 60%igen Schaumanteil ein Anteil
von 40% Material vorhanden ist. Der Schaumanteil nimmt zu den Schichten 14, 15 hin
kontinuierlich ab und weist nahe der Schichten 14, 15 nahezu keinen Schaumanteil
mehr auf, wodurch eine optimale Haftvermittlung zu den Schichten 14, 15 gegeben sein
kann.
Ein derartiger Aufbau bzw. Verlauf der Dichte kann grundsätzlich für jegliche Formen
von Bauelementen vorgesehen sein und die vorteilhaften Eigenschaften aufweisen, wie
beispielsweise daß durch ein geringes Bauteilvolumen und durch Verwendung von ko
stengünstigen Materialien ein biegesteifes Bauteil geschaffen werden kann, das
witterungs-, UV-beständig und schlagzäh ausgebildet ist und darüber hinaus für den
Baubetrieb einsetzbar ist, was sich dadurch auszeichnet, daß es sich aufgrund der rela
tiv dünnen Schichten 14, 15 leicht nageln und/oder sägen läßt.
In Fig. 6 ist eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens dargestellt, die zur Herstel
lung der erfindungsgemäßen Bauelemente 11, 23, 31, 41 vorgesehen ist. Die Herstel
lung der unterschiedlichen Bauelemente 11, 23, 31, 41 wird beispielhaft an dem
plattenförmigen Bauelement 11 beschrieben:
In Vorratsbehältern 62 sind verschiedene Kunststoffgranulatsorten, Füllstoffe und weit ere Additive bereitgestellt, die zur Herstellung des plattenförmigen Elementes 11 benötigt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Speicher 62 Polypropylen, in ei nem zweiten Speicher 62 Polyamid und in einem dritten Speicher 62 Glasfasern bereit gestellt werden. Zur Herstellung der Innenschicht 13 wird einem Doppelschneckenex truder 63 über Versorgungsleitungen 64 von den Vorratsbehältern 62 Polypropylen als auch ein Additiv zur Aufschäumung zugeführt. In dem Doppelschneckenextruder 63 werden die einzelnen Komponenten homogenisiert und über eine Schmelzpumpe 65 einer Koextrusionsdüse 66 zugeführt. Oberhalb und unterhalb der Koextrusionsdüse 66 ist ein Coil 67 mit einer Abziehvorrichtung 68 angeordnet. Die Schichten 14, 15, die beispielsweise als eine 0,3 mm dicke Aluminiumfolie ausgebildet sind, werden vom Coil 67 abgezogen und der Koextrusionsdüse 66 zugeführt. Die auf einem Coil 67 bevorra teten Aluminiumfolien 14, 15 sind beidseitig mit einem Haftvermittler versehen, damit eine optimale Haftung der Innenschicht 13 und der Außenschicht 18 an der Aluminium folie 14, 15 ermöglicht ist. Diese Schichten 14, 15 können auch unmittelbar nach Abzug vom Coil 67 mit Haftvermittler besprüht und ggf. getrocknet werden.
In Vorratsbehältern 62 sind verschiedene Kunststoffgranulatsorten, Füllstoffe und weit ere Additive bereitgestellt, die zur Herstellung des plattenförmigen Elementes 11 benötigt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Speicher 62 Polypropylen, in ei nem zweiten Speicher 62 Polyamid und in einem dritten Speicher 62 Glasfasern bereit gestellt werden. Zur Herstellung der Innenschicht 13 wird einem Doppelschneckenex truder 63 über Versorgungsleitungen 64 von den Vorratsbehältern 62 Polypropylen als auch ein Additiv zur Aufschäumung zugeführt. In dem Doppelschneckenextruder 63 werden die einzelnen Komponenten homogenisiert und über eine Schmelzpumpe 65 einer Koextrusionsdüse 66 zugeführt. Oberhalb und unterhalb der Koextrusionsdüse 66 ist ein Coil 67 mit einer Abziehvorrichtung 68 angeordnet. Die Schichten 14, 15, die beispielsweise als eine 0,3 mm dicke Aluminiumfolie ausgebildet sind, werden vom Coil 67 abgezogen und der Koextrusionsdüse 66 zugeführt. Die auf einem Coil 67 bevorra teten Aluminiumfolien 14, 15 sind beidseitig mit einem Haftvermittler versehen, damit eine optimale Haftung der Innenschicht 13 und der Außenschicht 18 an der Aluminium folie 14, 15 ermöglicht ist. Diese Schichten 14, 15 können auch unmittelbar nach Abzug vom Coil 67 mit Haftvermittler besprüht und ggf. getrocknet werden.
Der Zuführung der Aluminiumfolie 14, 15 nachgeschaltet ist ein Extruder 69, der bei
spielsweise mit Polyamid und/oder Polypropylen und Glasfaser aus dem Vorratsspeich
er 62 versorgt wird. Über diesen Extruder 69 kann die homogenisierte Masse für die
Außenschicht 18 der Koextrusionsdüse 66 zugeführt werden. Des weiteren kann der
Zuführung der Außen
schicht 18 nachgeschalten ein Gleitschichtextruder 71 vorgesehen sein, um auf die
Außenschicht 18 die Gleitschicht 19 aufbringen zu können.
Durch die Koextrusionsdüse 66, die beispielsweise für einen Plattenstärke von 20 mm
vorgesehen ist, kann in einem Arbeitsgang eine 5-Schicht-Platte mit einem Sandwich-
Aufbau herstellbar sein. Der Koextrusionsdüse 66 ist die Kalibrierung 72 nachgeschal
ten. Der Weg zwischen dem Austritt der Koextrusionsdüse 66 und dem Beginn der Kali
brierung 72 ist kurz ausgebildet, da die Innenschicht 13 mit einem Treibmittel zum
Ausschäumen des Polypropylen versehen ist. Dieses Treibmittel bewirkt, daß während
dem Durchlaufen der Kalibrierstrecke die die Innenschicht 13 begrenzenden Schichten
14, 15 im wesentlichen gleichförmig auseinandergedrückt werden. Dadurch kann erzielt
werden, daß die Schichten 14, 15 im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Des
weiteren kann durch den erhöhten Druck erzielt werden, daß die Außenschichten 18
eine nahezu 100%ige Dichte aufweisen können. Die auf die Außenschichten 18, 19 wir
kende Kraft hat des weiteren den Vorteil, daß eine im wesentlichen geschlossene
äußere Schicht erzeugt werden kann, die als sogenannte Speckschicht bekannt ist.
Durch die Aufbringung der Gleitschicht 19 kann das Bauelement 11 mit geringerer
Reibung die Kalibrierung 72 durchlaufen und mit einer Abzugsvorrichtung 73 leichter
aus der Kalibrierung 72 herausgeführt werden. Die Kalibrierung 72 ist derart ausgebil
det, daß die Kalibrierstrecke ausreicht, damit das Bauelement 11 beim Verlassen der
Kalibrierung 72 eine vollständig ausgeschäumte Innenschicht 13 aufweist. Mit einer
entsprechend der Produktions- bzw. Extrusionsgeschwindigkeit mitlaufenden Sägevor
richtung 74 kann das kontinuierlich hergestellte Bauelement 11 in die gewünschten
Plattengrößen geschnitten werden und über eine Abstapeleinrichtung 76 zum Abtrans
port oder Lagerung bereitgestellt werden.
Eine derartige Anlage 61 kann eine Produktionsgeschwindigkeit von 0,5 bis 1 m/min
aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bauelements 11 mit zwei
im wesentlichen parallel zu der Innenschicht 13 und den Außenschichten 18, 19 verlau
fenden Schichten 14, 15 kann eine relativ einfache Zusammenführung der einzelnen
Komponenten für eine Verbundbauweise des Bauelements 11 gegeben sein, die
darüber hinaus auch eine höhere Biegesteifigkeit aufweist. Dieses Verfahren kann
ebenso für die in Fig. 2 bis Fig. 4 beschriebenen Bauelemente 23, 31, 41 als auch wei
teren Formen von Bauelementen eingesetzt werden.
Des weiteren kann zur Herstellung von Bauelementen 11, insbesondere plattenförmi
gen Bauelementen, ein Sinterpreßverfahren vorgesehen sein. Bei diesem Verfahren wer
den die einzelnen Schichten nacheinander übereinandergelegt und dann unter
Einwirkung von Druck und Hitze miteinander in Verbindung gebracht. Dabei ist erforder
lich, daß hohe Temperaturen und Drücke vorliegen, damit keine Inhomogenitäten vor
liegen, die Sollbruchstellen darstellen würden. Aufgrund der diskontinuierlichen
Herstellung und der hohen Drücke wird dieses Verfahren für Sonderformen mit gerin
gerer Stückzahl bevorzugt eingesetzt.
Das Bauelement 11 kann vorteilhafterweise eine Vorspannung aufweisen, so daß in
einer bestimmten Einbaulage eine erhöhte Kraftaufnahme oder Belastbarkeit gegeben
ist. Diese Vorspannung wird vorteilhafterweise während des Strangpreßverfahrens ein
gebracht. Nachdem der Sandwich-Aufbau des Elementes vollständig extrudiert wurde,
erfolgt eine Kalibrierung mittels Kalandertechnik oder dergleichen, wobei die Kalibrie
rung unmittelbar einer Extruderdüse nachgeschaltet ist, damit der noch erwärmte
Kunststoff bearbeitet werden kann. Die extrudierte Platte kann auch über einen großen
Radius hinweg abgezogen werden, um die Vorspannung einzubringen. Die Vorspan
nung ist vorteilhafterweise derart vorgesehen, daß die neutrale Faser des Bauele
mentes im Regelbelastungsfall nahezu in planer Ebene liegt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Bauelemente mittels Presstechnik her
stellbar sind. Bei dieser Technik können die Schichten höherer Elastizität, wie
beispielsweise eine Schicht aus einer Aluminium- oder Titanlegierung vorverformt, vor
zugsweise plastisch, eingelegt und anschließend umspritzt werden. Alternativ kann die
Vorverformung auch durch eine entsprechende Werkzeugkonstruktion und deren
Steuerung erfolgen.
Claims (35)
1. Bauelement mit zumindest einer Schicht (13, 18, 19) aus Kunststoff und mit einer
innerhalb des Bauelements (11) befindlichen Schicht (14, 15) aus einem Material,
das einen wesentlich höheren Elastizitätsmodul als Kunststoff hat sowie mit zu
mindest einer zum Bauelement (11) gehörigen Systemebene (12), längs der das
Bauelement (11) im wesentlichen homogene Eigenschaften hat und im wesentli
chen homogen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der System
ebene (12) zumindest eine Innenschicht (13) und jeweils eine Außenschicht (18)
aus Kunststoff vorgesehen ist, zwischen denen zumindest jeweils eine die
Systemebene (12) durchquerende und getrennt voneinander angeordnete Schicht
(14, 15) mit dem zweiten höheren Elastizitätsmodul vorgesehen sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
mit der Systemebene (12) jeweils einen Kreuzungspunkt (16, 17) bildet, in Rand
bereichen des Bauelementes (11) angeordnet sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten
(13, 14, 15, 18, 19) sich symmetrisch zur Systemebene (12) erstrecken.
4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
plan und/oder vollflächig ausgebildet ist.
5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
Durchbrechungen aufweist.
6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
profiliert ist.
7. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) eine Dicke von 0,2 bis 3 mm aufweisen.
9. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, gebildet
ist.
10. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
aus Metall ausgebildet ist.
11. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
aus nicht-magnetischem Material ausgebildet ist.
12. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 15)
aus faserverstärktem Material ausgebildet ist.
13. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und unte
re Außenschicht (18) gleich stark ausgebildet ist.
14. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht
(18) einen Anteil von 5%-20% der Gesamtdicke des Bauelementes (11)
aufweist.
15. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere
Außenschicht (18) und die Innenschicht (13) aus einem Material mit gleichem Ela
stizitätsmodul ausgebildet sind.
16. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere
Außenschicht (18) einen höheren Elastizitätsmodul als die Innenschicht (13)
aufweist.
17. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (13)
aus PP oder PA ausgebildet ist und vorzugsweise zumindest um 20% aufge
schäumt ist.
18. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (13)
mit Additiven, vorzugsweise Talkum oder Glasfaser, gefüllt ist.
19. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht
(18) aus einem Thermoplast, vorzugsweise Polyamid und/oder Polypropylen, aus
gebildet ist.
20. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht
(18) Additive für eine Erhöhung der Schlagzähigkeit, der UV-Beständigkeit, der
Witterungsbeständigkeit und/oder der Verschleißfestigkeit aufweist.
21. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Außenflächen der
Außenschicht (18) eine Gleitschicht (19) vorgesehen ist.
22. Bauelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht
(19) 0,1 bis 0,5 mm dick ausgebildet ist und reibungsreduzierende Additive
aufweist.
23. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) beidseitig eine Haftvermittlungsschicht für die Innenschicht (13) und Außen
schicht (18) aufweisen.
24. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) aus einem Material mit gleichem Elastizitätsmodul sind.
25. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) aus einem Material gleicher Stärke ausgebildet sind.
26. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (14,
15) sich im wesentlichen bis zu den Seitenflächen (21, 22) erstrecken.
27. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteil-
Elastizitätsmodul in Abhängigkeit der Haftvermittlung zwischen Innenschicht (13)
und Schicht (14, 15) als auch Außenschicht (18) und Schicht (14, 15) steht.
28. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteil-
Elastizitätsmodul in Abhängigkeit des Querschnittverbundes und Elastizitätsmodu
len der einzelnen Schichten (13, 14, 15, 18) steht.
29. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Eine noch nicht ausgeschäumte Innenschicht (13) wird aus einem Extru der (63) einer Koextrusionsdüse (66) zugeführt.
- b) Der Innenschicht (13) wird auf einer Oberseite und einer Unterseite mit einer Koextrusionsdüse (66) eine von jeweils einem Blechwickel (67) abgezogene Schicht (14, 15) zugeführt.
- c) Auf die Schichten (14, 15) wird mittels Koextrusionsdüse (66) jeweils ei ne Außenschicht (18) aufgebracht.
- d) Ein aus der Koextrusionsdüse (66) austretender Mehrschichtverbund (13, 14, 15, 18) wird einer Kalibrierung (72) zugeführt.
- e) Der Mehrschichtverbund (13, 14, 15, 18) wird, nachdem die Innenschicht (13) ausgeschäumt ist, aus der Kalibrierung (72) herausgeführt.
- f) Der Mehrschichtverbund (13, 14, 15, 18) wird in Bauelemente (11) zugeschnitten.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenschicht
(18) mit einem Extruder (71) oder der Koextrusionsdüse (66) jeweils eine Gleit
schicht (19) aufgebracht wird.
31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schicht (14,
15) vor dem Zuführen zur Koextrusionsdüse (66) eine Haftvermittlungsschicht auf
getragen wird.
32. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Kalibrie
rung (72) austretende Mehrschichtverbund (13, 14, 15, 18) von einer Abzugsvor
richtung (73) herausgefördert wird.
33. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung
derart ausgebildet ist, daß auf das Bauelement (11) eine Vorspannung in Rich
tung Hochachse aufgebracht wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalandertechnik
verwendet wird.
35. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Förderrich
tung mitlaufende Sägevorrichtung (74) der Abziehvorrichtung (73) nachgeschaltet
wird.
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