DE19730647A1 - Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte - Google Patents
Leichtbauplatte aus Metall in Form einer HöckerplatteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Leichtbauplatte aus Metall in
Form einer Höckerplatte aus einem formgepreßten
Höckerblech und einem damit an den Höckerstirnflächen
stoffschlüssig verbundenen Flachblech.
Leichtbauplatten aus Metall sind in verschiedenen Formen,
insbesondere als Hohlfachplatten und als Höckerplatten
bekannt. Hohlfachplatten und Höckerplatten bestehen aus
äußeren Deckblechen sowie dazwischen angeordneten
Abstandshaltern unterschiedlichster Bauart. Bei solchen
Leichtbauplatten wirken je nach Belastungsfall das eine
äußere Deckblech als Zuggurt und das andere als
Druckgurt. Solche Leichtbauplatten haben im Vergleich zu
massiven Platten bei gleichem Flächengewicht eine höhere
Biege- und Beulsteifigkeit. Sie werden deshalb als
tragende Bauteile für begehbare Bodenplatten oder
Fahrbahnplatten, aber auch für Wände eingesetzt.
Bekannte Hohlfachplatten aus Aluminium oder Stahl (Techn.
Mitt. Krupp, Werksberichte, Band 32 (1974) H. 1, S. 1-14,
insbesondere S. 5, 6) bestehen aus äußeren Deckblechen und
dazwischen als Abstandshalter angeordneten, nur in einer
Richtung verlaufenden, durchgehenden Stegen, die mit den
Deckblechen fest verbunden sind. Bei einer Hohlfachplatte
aus Aluminium sind Deckbleche und Stege einstückig
stranggepreßt. Bei einer Hohlfachplatte aus Stahl werden
die Stege von zickzackförmig gekanteten Trapezblechen
gebildet, die mit den Deckblechen verschweißt sind.
Solche Hohlfachplatten aus Aluminium oder Stahl haben
zwar eine hohe Biegesteifigkeit in Längsrichtung der
Stege, aber eine kleine Biegesteifigkeit quer zur
Längsrichtung der Stege. Da deshalb ihre Beulsteifigkeit
nicht besonders hoch ist, eignen sie sich nicht als
Flächentragwerk.
Andere bekannte Höckerplatten aus Stahl oder Aluminium
(Techn. Mitt. Krupp, Werksberichte, Band 32 (1974) H. 1,
S. 1-14, insbesondere S. 2, 3) sind dadurch gekennzeichnet,
daß sie ausschließlich aus zwei miteinander verbundenen
Deckblechen bestehen, von denen mindestens ein Blech als
Höckerblech ausgebildet ist. Dieses Höckerblech kann an
den Höckerstirnflächen eines gleichartigen Höckerbleches
oder aber mit einem Flachblech verbunden sein. Der
Vorteil einer solchen Höckerplatte besteht darin, daß sie
in allen Richtungen die gleiche Beulsteifigkeit hat.
Ungünstig ist jedoch das Verhältnis von Gewicht zu
Biegesteifigkeit bzw. Beulsteifigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte zu
schaffen, die bei einem geringen Flächengewicht eine gute
Biegesteifigkeit in x- und y-Richtung der Plattenebene
und eine gute Beulsteifigkeit besitzt.
Diese Aufgabe wird bei einer Leichtbauplatte der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß das Flachblech aus
Aluminium und das Höckerblech aus Stahl bestehen und die
stoffschlüssige Verbindung eine unter Wärmeeinwirkung
ohne Schmelzphase hergestellte metallische Verbindung ist
mit einer Schub- und Scherfestigkeit von mehr als
15 N/mm2.
Bei der erfindungsgemäßen Leichtbauplatte werden die
materialspezifischen Vorteile von Aluminium und Stahl
ausgenutzt, um zu einer Leichtbauplatte zu kommen,
die in bezug auf ihr Flächengewicht im Vergleich zu
herkömmlichen Leichtbauplatten nur aus Stahl oder
nur aus Aluminium eine verbesserte Biegesteifigkeit und
Beulsteifigkeit hat. Bei Belastung der Leichtbauplatte
von der Seite des Flachbleches ist für den Widerstand
gegen Einknicken das Flächenträgheitsmoment des
Flachbleches maßgebend. Das Flächenträgheitsmoment ist um
so höher, je dicker das Flachblech dimensioniert ist.
Somit ist der Einsatz eines Flachbleches aus Aluminium
vorteilhaft, weil es bei gleichem Flächengewicht
wesentlich dicker als ein Flachblech aus Stahl
dimensioniert sein kann. Deshalb knickt die
erfindungsgemäße Leichtbauplatte erst bei wesentlich
höheren Lasten als eine Leichtbauplatte gleichen
Flächengewichtes mit einem Abdeckblech aus Stahl als
Druckgurt unter Bildung eines Knickes des Druckgurt es
zwischen den Verbindungspunkten. Daher kann auch der
Höckerabstand bei den erfindungsgemäßen Leichtbauplatten
im Vergleich zu Höckerplatten ausschließlich aus Stahl
etwa 6mal größer sein, was unter Bildung eines insgesamt
größeren Flächenträgheitsmomentes zur Versteifung des
Zuggurtes führt. Somit wird weniger Material aus dem
Stahlblech zur Formung der Höcker herausgepreßt und die
Zahl und Fläche der notwendigen Verbindungsstellen wird
vergleichsweise gering gehalten. Wegen dieses geringen
Flächenanteils der Höcker an der Gesamtfläche des
Höckerbleches ist die Zugaufnahmefähigkeit des
Höckerbleches im Vergleich zu einem Flachblech nicht
wesentlich beeinträchtigt. Da bei der oben genannten
Belastung das Höckerblech aus Stahl auf Zug beansprucht
wird und Stahl im Vergleich zu Aluminium einen sehr viel
höheren E-Modul besitzt, ist auch eine höhere
Beulsteifigkeit der erfindungsgemäßen Leichtbauplatte im
Vergleich zu einer nur als Aluminium bestehenden
Leichtbauplatte gewährleistet. Wegen der guten
Verformbarkeit und des hohen E-Moduls von Stahl bereitet
auch das Formpressen der Höcker keine Probleme. Durch die
besondere Verbindung der verschiedenen Materialien
Aluminium und Stahl an den Höckerstirnflächen ist auch
gewährleistet, daß ohne Beeinträchtigung der
Materialeigenschaften das Flachblech und das Höckerblech
auf Dauer steif und fest miteinander verbunden bleiben.
Die Festigkeit der Verbindung zwischen Stahl und
Aluminium kann auf verschiedene Art und Weise weiter
verbessert werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß das Höckerblech aus Stahl an seiner
Verbindungsseite verzinkt ist. Dadurch wird auch die
sogenannte Spaltkorrosion verhindert. Alternativ oder
zusätzlich kann die Verbindung auch formschlüssig sein.
Insbesondere kann der Formschluß der Verbindung von in
Eingriff stehenden parallelen Rillen und Rippen der
Bleche gebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform haben die Höcker
einen trapezförmigen Querschnitt und sind länger als
breit. Zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Schalldämmung
der Leichtbauplatte kann der Hohlraum zwischen den
Blechen mit einem formstabilen Füllmaterial ausgefüllt
sein. Vorzugsweise sind das Schaummaterialien oder
Hohlkörper mit Kunststoffbindung.
Folgende Dimensionierungen der Leichtbauplatte werden
bevorzugt: Für die Blechdicken von Aluminium und Stahl
gilt: dSt≧1/4 dAl, vorzugsweise dSt=1/3 bis 1,3/3 dAl.
Diese Verhältnisse sind vorteilhaft für beulsteife
Leichtbauwände. Zur Herstellung von Ausfächerungen von
rechteckigen Rahmenkonstruktionen kann auch eine größere
Stahlblechdicke als 1,3/3 dAl verwendet werden. In diesem
Fall sollte bei länglichen Höckern die Längsachse der
Höcker in Richtung des kleineren Rahmenabstandes
verlaufen. Das Verhältnis von verbundener Fläche
(Höckerstirnfläche) zur Gesamtfläche sollte 5-13%
betragen. Der gegenseitige Abstand a der Höcker in halber
Höhe sollte das 8-12-fache des Abstandes der Bleche h
betragen. Ferner sollte der Abstand lx,y der Höckermitten
in Richtung der x- bzw. y-Achse lx,y≦45 dAl + Dx,y,
insbesondere mit 30 dAl + Dx,y≦lx,y betragen mit dAl =
Materialdicke des Aluminiumblechs und Dx,y = Länge bzw.
Breite der Höckerstirnfläche in Richtung der x- bzw.
y-Achse.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum
Herstellen einer Leichtbauplatte aus einem formgepreßten
Höckerblech und einem damit stoffschlüssig verbundenen
Flachblech. Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß das aus Stahl bestehende
Höckerblech und/oder das aus Aluminium bestehende
Flachblech örtlich begrenzt auf den an den
Höckerstirnflächen zu verbindenden Oberflächenbereich
durch Erwärmung mit Laserstrahlung aktiviert, aber nicht
aufgeschmolzen werden und in diesem Zustand beide Bleche
durch Druck metallisch miteinander verbunden werden. Die
Verbindung unter Druck erfolgt vorzugsweise durch
Walzfügen, wie es an sich bekannt ist (DE 195 02 140 C1),
insbesondere aber Gegenstand einer älteren deutschen
Patentanmeldung ist (19 640 612.9-45).
Neben der stoffschlüssigen Verbindung kann eine
Formschlußverbindung durch plastische Verformung des
Flachbleches aus Aluminium erreicht werden. Insbesondere
können beim Verbinden der Höckerstirnflächen mit dem
Flachblech aus Aluminium in die Höckerstirnflächen Rippen
eingeprägt werden, die sich dabei in das Flachblech
eindrücken.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher
erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Leichtbauplatte rechts in Aufsicht
von der Seite 1 des Höckerbleches und links
im Schnitt A-A der rechten Darstellung,
Fig. 2 die Leichtbauplatte der Fig. 1
während ihrer Herstellung in
isometrischer Darstellung und
Fig. 3 die Höckerplatte gemäß Fig. 1
während der Herstellung in einem
ausschnittsweisen Querschnitt.
Die in Fig. 1 dargestellte Leichtbauplatte besteht aus
einem Höckerblech 1 aus Stahl mit einer Vielzahl von
verteilten länglichen, im Grundriß ovalen und im
Querschnitt trapezförmigen Höckern 2 und einem Flachblech
3 aus Aluminium. Das Höckerblech 1 ist vorzugsweise an
seiner dem Flachblech 3 zugekehrten Seite verzinkt.
Zwischen den Höckerstirnseiten und dem Flachblech 3
besteht eine stoffschlüssige und formschlüssige
Verbindung. Der Formschluß wird bewirkt durch das
Ineinandergreifen von Rippen und Rillen der
Höckerstirnseiten und des Flachbleches 3, wobei die dem
Höckerblech 1 abgewandte Außenseite des Flachbleches 3
eben ist. Die Höckerstirnseiten haben eine Länge Dx und
eine Breite Dy. Die Abstände der Mitten benachbarter
Höcker in Richtung der x-Achse betragen lx und in Richtung
der y-Achse ly. Der Abstand benachbarter Höcker 2 in
halber Höckerhöhe in Richtung der y-Achse beträgt a. Das
Höckerblech 1 hat eine Dicke dSt, während das Flachblech 3
eine Dicke dAl hat. Die Hohlraumhöhe zwischen den beiden
Blechen 1, 3 beträgt h. Wie schon die Zeichnung zeigt, ist
das Flachblech 3 aus Aluminium wesentlich dicker als das
Höckerblech 1 aus Stahl, um den betrieblichen
Beanspruchungen gewachsen zu sein. Üblicherweise wird
eine solche Leichtbauplatte so belastet, daß das dickere
Flachblech 3 aus Aluminium als Druckgurt und das dünnere
Höckerblech 1 aus Stahl als Zuggurt wirken.
Folgende Beziehungen haben sich für die Dimensionierung
der Leichtbauplatte als vorteilhaft erwiesen:
dSt = 1/4 bis 1 dAl, insbesondere = 1/3 bis 1,3/3 dAl
8 h ≦ a ≦ 12 h
Verhältnis der Summe der verbundenen Höckerstirn
flächen zur Gesamtfläche der Leichtbauplatte
= 0,06 bis 0,13
30 dAl + Dx,y ≦ lx,y ≦ 45 dAl + Dx,y.
30 dAl + Dx,y ≦ lx,y ≦ 45 dAl + Dx,y.
Die Herstellung der Leichtbauplatte erfolgt in der Weise,
daß das formgepreßte Höckerblech 1 einer Walzfügestufe
zugeführt wird, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
In dieser Walzfügestufe werden die Oberflächen der
flachen Stirnflächen der Höcker 2 mit einem Laserstrahl 5
aktiviert. Dabei darf es nicht zu einem Aufschmelzen oder
gar zu einem Verdampfen an der Oberfläche, etwa der
Zinkschicht, kommen. In der Walzfügestufe wird das
Höckerblech 1 mit dem dickeren Flachblech 3 aus Aluminium
zusammengepreßt, während der Laserstrahl 5 in den sich
schließenden Fügespalt eingebracht wird. Gleichzeitig
wird auch die Oberfläche des Flachbleches 3 an den
Verbindungsstellen durch den Laserstrahl 5 aktiviert. Als
Laser können Gaslaser oder Festkörperlaser, wegen der
hohen Leistungsstärke insbesondere Diodenlaser,
eingesetzt. Als Preßwerkzeuge dienen eine auf das
Flachblech 3 einwirkende ebene Stützblatte 4 (Fig. 2) oder
eine Stützrolle 4 mit zylindrischer Mantelfläche (Fig. 3),
auf der das Flachblech 3 ruht, und auf das Höckerblech 1
einwirkende und in die Höcker 2 eintauchende, profilierte
Drückrollen 6 oder eine abrollende profilierte
Preßfläche. Beim Zusammenpressen der beiden Bleche 1, 3
wird die von Rillen und Rippen gebildete Profilierung der
Drückrolle 5 auf die Stirnseite der Höcker 2 und von hier
auf die Fügeseite des Flachbleches 3 aus Aluminium
übertragen, wobei eine plastische Verformung des
Flachbleches 3 von höchstens 40% und mindestens 20%
stattfindet. Die besondere Profilierung der Drückrollen 6
in Form von Rillen und Rippen verhindert einen
unerwünschten seitlichen Materialfluß des Aluminiums in
der Blechebene. Bei diesem Zusammenpressen unter Druck
ergibt sich sowohl eine stoffschlüssige als auch
formschlüssige dauerhafte Verbindung.
Claims (17)
1. Leichtbauplatte aus Stahl in Form einer
Höckerplatte aus einem formgepreßten Höckerblech (1) und
einem damit an den Höckerstirnflächen stoffschlüssig
verbundenen Flachblech (3), dadurch
gekennzeichnet, daß das Flachblech (3) aus
Aluminium und das Höckerblech (1) aus Stahl bestehen und
die stoffschlüssige Verbindung eine unter Wärmeeinwirkung
ohne Schmelzphase hergestellte metallische Verbindung ist
mit einer Schub- und Scherfestigkeit von mehr als 15
N/mm2.
2. Leichtbauplatte nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Höckerblech (1)
aus Stahl zumindest an seiner Verbindungsseite verzinkt
ist.
3. Leichtbauplatte nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindung
zusätzlich formschlüssig ist.
4. Leichtbauplatte nach den vorhergehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Formschluß der Verbindung von in Eingriff
stehenden parallelen Rillen und Rippen des Flach- (3) und
Höckerbleches (1) an den Höckerstirnflächen gebildet
wird.
5. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Höcker (2) einen trapezförmigen Querschnitt haben.
6. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Höcker (2) länger als breit sind.
7. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Hohlraum zwischen den Blechen (1, 3) mit formstabilem
Füllmaterial ausgefüllt ist.
8. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß für
die Blechdicken von Stahl und Aluminium gilt dSt=1/4 bis
1 dAl.
9. Leichtbauplatte nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Blechdicken
gilt dSt=1/3 bis 1,3/3 dAl.
10. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß für
die Abstände (a) der Höcker (2) in halber Höhe gilt
8 h≦a≦12 h mit h = Hohlraumhöhe.
11. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Summe der verbundenen
Höckerstirnflächen zur Gesamtfläche der Leichtbauplatte
0,06 bis 0,13 beträgt.
12. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß der
gegenseitige Abstand lx,y der Höckermitten in Richtung der
x- bzw. y-Achse lx,y≦45.dAl+Dx,y, insbesondere mit
30.dAl+Dx,y≦lx,y beträgt mit dAl = Materialdicke des
Flachbleches (3) und Dx,y = Länge bzw. Breite der
Höckerstirnfläche in Richtung der x- bzw. y-Achse.
13. Verfahren zum Herstellen einer Leichtbauplatte in
Form einer Höckerplatte aus einem formgepreßten
Höckerblech und einem damit stoffschlüssig verbundenen
Flachblech, dadurch gekennzeich
net, daß das aus Stahl bestehende Höckerblech und das
aus Aluminium bestehende Flachblech örtlich begrenzt auf
den an den Höckerstirnflächen zu verbindenden
Oberflächenbereich durch Erwärmen mit Laserstrahlung
aktiviert wird, aber nicht aufgeschmolzen wird, und beide
Bleche durch Druck metallisch miteinander verbunden
werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Verbinden das
Flachblech aus Aluminium plastisch verformt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Verbinden der
Höckerstirnflächen mit dem Flachblech aus Aluminium unter
Druck in die Höckerstirnflächen Rippen und Rillen
eingeprägt werden, die sich dabei in das Flachblech
eindrücken und es dabei plastisch verformen.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 15
unter Verwendung eines an der Verbindungsseite verzinkten
Stahlbleches.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Wärmelieferant ein Diodenlaser verwendet wird.
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