DE19739253A1

DE19739253A1 - Leichtbauweise mit Gittern

Info

Publication number: DE19739253A1
Application number: DE1997139253
Authority: DE
Inventors: Matthias Haag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 1999-03-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauelementen unter Zuhilfenahme von Gittern.

In Strukturen eingeleitete Kräfte bzw. Momente erzeugen nach dem Hookschen Gesetz in diesem Zug-, Druck- bzw. Schubspannungen. Begründet durch den Satz von Steiner liegt es beim steifig keitsorientierten Leichtbau nun nahe, diese möglichst biege- bzw. torsionsachsenentfernt weiterzu leiten und die so belasteten Bereiche der Struktur aussteifend zu verbinden. Klassische Anwendung:
der Fachwerkbau.

Eine dieser Erkenntnis zugrundeliegende Weiterentwicklung stellt die Doppelwand plattenbauweise, auch Sandwichbauweise genannt, dar, die in verschiedensten technischen Berei chen, aber auch in der Natur Anwendung findet (Kerz P. Natürliche und technische Konstruktionen in Sandwich-bauweise in Konstruktion 40, 1988, Seiten 41-47). Diese weist zwei mit Abstand zu einander angeordnete (Deck-) Schichten auf, die einen schubsteifen, querkraftaufnehmenden Kern einschließen. Meist werden diese Elemente mittels Fügen zu einer Einheit verbunden. Unter Bela stung nehmen die Deckschichten vor allem Zug- und Druckspannungen auf. Aufgabe des Kerns ist hingegen eine möglichst gewichtseinsparende Weiterleitung der Querkräfte. Im Bereich des Metall baus erfüllen bisherige Lösungen, den Kern beispielsweise aus Abkantprofilen, Stehbolzen, Rohrab schnitten oder Blechrippen zu gestalten, die Anforderungen an Steifigkeit und Leichtgewichtigkeit recht gut. Solche sind schon 1957 auf ihre Tauglichkeit hin untersucht worden (Löwenfeld, K.: Ver rippte Blechplatten und Doppelwandplatten in DER MASCHINENMARKT (13a) Würzburg, Nr. 87, 29.10.57 Seiten 31-39). Besonders bei Metallwerkstoffen stellt aber eine wirtschaftlich herzustel lende und trotzdem feste und dauerhafte Verbindung zwischen den Schichten eine gewisse Schwie rigkeit dar, worauf sich auch der eher verhaltene praktische Einsatz, abgesehen von der Luft- und Raumfahrtechnik, begründet. So beim Blechleichtbau in Verbindung mit dem Fügeverfahren Schwei ßen. Bei bisherigen Verfahren wurde beispielsweise die Kernschicht zunächst auf einer Deckschicht fixiert um in einem zweiten Arbeitsgang unter Verwendung der zweiten Deckschicht zur geschlos senen Doppelwandplatte vervollständigt zu werden. Die jetzt anzubringenden Schweißpunkte müs sen jedoch nun durch das aufliegende Blech hindurch an definierter Stelle erfolgen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen gibt es bereits einige Lösungen:
Eine Idee ist es aus gewissen Bereichen der Deckschichten Höcker tiefzuziehen (ähnlich dem Ei erkarton). Diese Vertiefungen bilden dann bereits die halbe Höhe einer dadurch hinfälligen, geson derten Kernschicht, wenn zwei solcher Strukturen Höcker gegen Höcker miteinander verbunden werden. Diese Vertiefungen in den Deckschichten können jedoch von Nachteil für deren allgemeine Anwendbarkeit sein und schwächen zudem ausgerechnet die Bereiche höchster Zug-/Druckbelastung (größter Steinerscher Anteil).

Eine weitere Möglichkeit besteht darin die beiden Deckschichten vorbereitend mit definierten Aussparungen zu versehen, und zwar so, daß gewisse Bereiche des dazwischen zu liegen kommen den Kerns die Deckschicht durchdringen. Hier können die Schichten im Anschluß von außen mitein ander verbunden werden. Voraussetzung ist allerdings eine hohe Fertigungsgenauigkeit verbunden mit einem maschinell schwer zu beherrschenden Fügeaufwand, da die Montage der Deckbleche von vielen Passungen abhängt.

Um zu einer marktgerechten und somit auch wirtschaftlich günstigen Herstellung von Leichtbau elementen zu kommen, gilt es Kernschichten rationell erstellen zu können um diese anschließend in einem einzigen Arbeitsgang zu fügen.

Für den Aufbau des Kerns wird deshalb ein Gitter gewählt. Ein solches besteht bekanntermaßen aus Streifen (vorzugsweise aus Blech), die in gewissen Abständen mit Schlitzen meist halber Strei fenhöhe versehen sind. Derart vorbereitete Streifen sind ineinander zu einem Gitter steckbar. Dies bietet Vorteile:

- Bei der Herstellung der Streifen entsteht nahezu kein Verschnitt.
- Unter Verwendung eines Gitters als Kernschicht, ist dieses gesondert montierbar (ineinander versteckbar) und zumindest in soweit bereits stabil, als daß diese Vorarbeit nicht an der Stelle geschehen muß, wo ein eventueller, späterer Fügevorgang mit der Deckschicht stattfindet.
- Die hohlraumbildenden Gitter sind über eine gewisse Höhe in Längsrichtung bereits vor jeder Fügetätigkeit verbunden. Somit muß eine daraus erstellte Leichtbaustruktur nicht die gesamte Zug-/Druckbelastung über die Deckschicht führen, sondern der Kern ist in der Lage, gewisse Aufgaben der Deckschichten mit zu übernehmen.
- DIN 24 537 vom Oktober 1991 schreibt die Erstellung für Gitterroste zur Schachtabdeckung vor. Es ist sinnvoll Gitter aus vorhandener Produktion, oder mittels vorhandenen Maschinenparks er stellte Gitter, zu verwenden.

Bauweise mittels neuartiger Gitterstruktur als Teil der Erfindung

Das nach DIN 24 537 bekannte Gitter, mit sich rechtwinklig kreuzenden Blechstreifen, besitzt kaum eigenständige Widerstandsfähigkeit gegen momentenversetzte Querkräfte. Zum Vergleich sei ein freistehendes Regal ohne Rückwand erwähnt. Genauso wie die Rückwand ein seitliches Ausbrechen des Möbels wirkungsvoll verhindert, würde unter Verwendung dieses bekannten Gitters beim Sandwichleichtbau eine solche Belastung beinahe ausschließlich von den Deckschichten übernom men.

Durch eine Anordnung geschlitzter Streifen, unter sich jeweils diagonal kreuzendem Winkel, wäre hingegen eine Gitterstruktur schon vom Prinzip her in der Lage auch momentenversetzte Querkräfte weiterzuleiten, ohne daß es zwingend zusätzlicher Aussteifungen bedarf. Im Unterschied zur recht winkligen Gitterstruktur ist jetzt nicht ein Steckvorgang der Gitterstreifen im Winkel von 90° auszu führen, sondern mindestens zwei mit drei voneinander verschiedenen, sich gegenseitig kreuzenden Streifenrichtungen. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines solchen Gitters in der Draufsicht mit Winkeln von +60° und -60° von der ersten Streifenrichtung. Winkel α ist der Winkel der Gitterstreifen zueinander (in der dargestellten Ausführung 60°). Fig. 2 zeigt Ausschnitte der zur Erstellung des in Fig. 1 dargestellten regelmäßigen Gitters notwendigen, geschlitzten Strei fen. Es ist notwendig, bei einer der drei Streifenrichtungen einen abwechselnd oben und unten ge schlitzten Streifen (22) zu verwenden, da sonst das Einstecken der letzten Streifenrichtung versperrt ist, wobei die letzte Streifenrichtung vereinfachend auch durch Streifen halber Höhe ersetzt werden kann.

Durch ein Zusammenstecken der Streifen in beschriebener Weise, bilden diese eine Kombination von sich abwechselnd wiederholenden prismatischen (11) und wabenförmigen (12) Hohlräumen. Die so entstandene Gitterstruktur läßt jetzt einen Verzicht auf eine oder beide Deckschicht(en) zu, da alle Belastungen auch von ihr selbst übernommen werden könnten. Wird diese Gitterstruktur hinge gen als integrale Verstärkung einer Wandung oder als Kern eines Sandwiches verwendet, so ist sie in der Lage alle Aufgaben der Deckschicht(en) mit zu übernehmen, was sicherlich ein konstruktiver Steifigkeitsgewinn gegenüber anderen verstärkenden bzw. kernschichtbildenden Strukturen ist.

Die Anwendung von Gittern beschränkt sich keineswegs auf ebene, mehr oder weniger dicke Sandwichplatten. Es ist durchaus möglich einen innenverrippten Leichtbauträger in integraler Bau weise mit Hilfe einer Gitterstruktur aufzubauen. Gitter eignen sich in diesem Zusammenhang nämlich nicht nur als querkraftaufnehmende Abstandhalter zwischen zwei Deckschichten, sondern vielmehr sind sie auch in der Lage Längskräfte und Momente aufzunehmen.

Das neuartige Gitter ist natürlich auch allgemein anwendbar. Beispielhaft sei an die Anwendun gen des DIN Gitters erinnert: Als Rost, Schachtabdeckung, Einlageboden, Lärmschutzvorrichtung, tragendes Konstruktionselement usw. im Schiffs-, Fahrzeug-, Haus-, Hallen-, und Anlagenbau usw. ist es mit den erwähnten Vorzügen gegenüber dem herkömmlichen Gitter nach DIN einzusetzen.

Positionieren einer Kernschicht gleich anderer Teil der Erfindung

Eine Kernschicht ist vor allem dann geeignet mit den Deckschichten verbunden zu werden, wenn ihre gegenseitige Position feststeht. Im Besonderen gilt dies beim Blechleichtbau in Verbindung mit dem Fügeverfahren Schweißen. Zur Positionierung folgende Lösung:
Die Deckschicht (das Deckblech) wird mit mindestens einem Durchbruch oder Spalt versehen, unter dessen Zuhilfenahme eine gegenüber der Deckschicht versenkte Anlage für die Kernschicht durch Umformung gebildet wird. Auch eine Ausprägung kann diesen Zweck erfüllen. In der Fig. 3 sind verschiedene Ausführungen einer Aussparung (31), (32), (33) oder aber Spalte (34), (35), (36), (37) beispielhaft gezeigt. So eignen sich beim Blechleichtbau unter anderem kreuzende Schlitze (31 und 33) mit einer Breite, die der Blechstärke der Kernstreifen entspricht. Position (32) erfüllt dies erst nach dem Biegeprozeß. Der Winkel zwischen diesen Schlitzen ist dann vorzugsweise dem Kreu zungswinkel α (nach Fig. 1) der Gitterstreifen des verwendeten Kerns gleich. Daraus folgt, daß (31) und (32) für ein rechtwinklig kreuzendes Gitter geeignet sind, wohingegen (33) für das Gitter nach Art der Erfindung mit dem im Anwendungsbeispiel angenommenen Kreuzungswinkel von 60° ge dacht ist. In einer anderen Variante werden Ecken (34 und 35) oder Laschen (36) aus dem Blech in die Kernschicht gebogen. Auch ist es möglich an einen Schlitz bzw. Spalt (37) das Blech in der Art eines Lüftungskiemens (bekannt beim Schaltschrankbau) zu verformen um eine gegenüber der Deck schicht versenkte Anlage des Kerns zu erreichen. Es kann sich aber abgesehen von den in Fig. 3 dargestellten Varianten auch um anders gestaltete Aussparungen oder Spalte handeln, entscheidend ist, daß mindestens eine Ecke, Lasche oder Ausprägung in der Deckschicht aus der Deckschichtebe ne in die Kernschicht hineinragt. Das Ausbringen oder aber Schlitzen und Umformen kann auch in einem Arbeitsgang erfolgen, wie es bei modernen Nippelmaschinen üblich ist.

Durch diesen einfach durchzuführenden Prozeß, siehe Fig. 4, kann das Verschieben einer zwi schen den Deckblechen liegenden Kernschicht unmöglich gemacht werden, wenn solche herabge bogenen Ecken (44), Laschen (44), Ausprägungen (44) oder Kiemen (44) mindestens einer Deck schicht (41) bzw. (42) die Streifen (43) des Kerns hinreichend fixieren.

Dieses Verfahren als anderer Teil der Erfindung ist besonders für Gitterkerne geeignet, kann aber ebenso für andere kernschichtbildende Strukturen, wie beispielsweise senkrechte Blechstreifen (43) oder Rohrabschnitte (43) zum Einsatz kommen.

Liegen die Positionen zwischen den Schichten fest, so ist es möglich ein Fügen genau an den Stellen vorzunehmen, wo die Kernschicht die Deckschicht berührt. Auch können diese Stellen mit Aussparungen (Bohrungen) versehen sein um eine Verbindung zu erleichtern. Vorzugsweise sind hierbei die Punkte zu wählen, an denen sich nicht nur die Schichten sondern auch die kernschicht bildenden Elemente berühren. Im Falle von Gittern sind das die Kreuzungspunkte der Gitterstreifen. Auf diese Weise werden sowohl die Elemente des Kerns miteinander, als auch der Kern mit der Deckschicht in einem Zuge verbunden. An den oben genannten Positionierungsstellen nach Art der Erfindung kann eine Fügung gegenüber der Deckschichtoberfläche besonders leicht versenkt ange bracht werden. Dieser Vorteil legt nahe mit vielen solchen Positionierungsstellen vorrangig oder ein zig versenkt zu fügen.

Einbringen von Hülsen bzw. Paßstiftaufnehmern als weiterer Teil der Erfindung

Für eine Sandwichstruktur bestehen zahlreiche prinzipielle Ankopplungsmöglichkeiten, von denen aber nur eine besonders naheliegende als Vertreter des Standes der Technik kurz genannt werden soll:
Es ist dies eine senkrecht zu den Deckschichten verlaufende Durchschraubung durch die gesamte Struktur. Führt diese jedoch durch einen größeren Hohlraum der Kernschicht, so entsteht nach An zug der Schraube um ihren Kopf eine trichterförmig ausgebildete Senke in der Deckschicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die in den betroffenen Hohlraum gezogene Deckschicht erst an den umliegenden, meist senkrecht zur Deckschicht verlaufenden Wandungen des Kernhohlraums stützen kann. Zur Verstärkung bedient man sich am einfachsten Unterlagen, die die Kräfte auf eine gewisse Fläche verteilen, oder aber man bringt Hülsen ein, die der Stärke der Leichtbaustruktur entsprechen. Zur Ausführung einer Durchschraubung bestens geeignet ist die Leichtbaustruktur, deren Inneres aus dem beschriebenen Gitter nach Art der Erfindung besteht. Wird jetzt durch den kleinen prismati schen Hohlraum geschraubt, so kann sich der Kopf auf die drei, den Schraubenschaft direkt umge benden, Kernstreifen stützen. Bedingt dadurch, daß die Kernstreifen dann sternförmig von der Schraubenachse in die Leichtbaustruktur verlaufen, kann zudem eine eingeleitete Kraft gut auf die ganze Leichtbaustruktur verteilt werden.

Wird, wie beispielsweise im Vorrichtungsbau üblich, eine lösbare Verbindung hoher Paßgenauig keit gefordert, so ist dies durch Einbringen von (Gewinde-)Hülsen bzw. Paßstiftaufnehmern in den Kern der Leichtbaustruktur möglich. Beim Gitterkern nach Art der Erfindung erfolgt dies aus oben genannten Gründen vorzugsweise auch in die kleineren prismatischen Hohlräume, wobei der Ab stand der Gitterstreifen im Vorfeld so gewählt werden kann, daß die Prismen zur gewünschten An ordnung der Hülsen passen. Wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 zeigt, wird für die Hülse (51) zunächst eine Spielpassung (52) in den Deckschichten (53) angelegt, so daß die Hülse zwar durch ihren Bund (54) in der Einbautiefe bestimmt ist, jedoch noch in der Deckschichtebene ausgerichtet und dann fixiert werden kann. Hier ist ein Eingießen mittels Kunstharz denkbar, wobei die Hülse mit Retensionen senkrecht und/oder waagerecht zur Deckschicht versehen werden kann, um deren Fe stigkeit mit dem Harz in der Struktur zu erhöhen.

Besonders geeignet sind diese Hülsen nach Art der Erfindung für die prismatischen Hohlraume die durch das neuartige Gitter nach Art der Erfindung gebildet werden, da hier die senkrechten Gitter streifen Kräfte und Momente nahe ihrer Einleitung aufnehmen und sternförmig in der Struktur ablei ten können.

Die Hülsen nach Art der Erfindung können aber auch bei anderen kernschichtbildenden Struktu ren zum Einsatz kommen, so zum Beispiel unter Verwendung eines im Winkel von α = 90° (siehe Fig. 1), also rechtwinklig versteckten Gitters, wobei es auch hier die Abstände der Gitterstreifen so zu variieren sind, daß die Hülsen von angepaßt kleinen Hohlräumen umgeben sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Leichtbaustrukturen, insbesondere unter Verwendung von Gittern, bestehend aus ineinander versteckbaren, vorzugsweise bis zur halben Höhe geschlitzten Strei fen (21; 22), dadurch gekennzeichnet, daß diese Streifen in mindestens drei voneinander verschiedene, sich gegenseitig kreuzende Streifenrichtungen verlaufen.

2. Gitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der drei Streifenrichtungen aus ab wechselnd oben und unten geschlitzten Streifen (22) besteht.

3. Gitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch den Steckvorgang sowohl prismatische (11) als auch wabenförmige (12) Räume zwischen den geschlitzten Streifen bilden.

4. Verfahren zur Herstellung von Leichtbaustrukturen, insbesondere unter Verwendung von Gittern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Platte (41; 42) mit einem Gitter nach Anspruch 1 bis 3 derart aufeinander gebracht werden kann, daß die Position zwischen Platte und Gitterstruktur (43) bereits vor einem Fügevorgang mittels aus der Platte ausgebrachter und in die Struktur hineinragender Positionie rungselemente (44) definiert ist.

5. Leichtbaustruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der verstärkenden Struktur auch um Gitter mit nur zwei verschiedenen Streifenrichtungen (43) oder aber anderer senkrecht zur Plattenebene verlaufender Elemente (43) wie Streifen oder Rohrabschnitte handeln kann.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Struktur auch zwischen zwei zueinander parallelen Platten (41 und 42) dadurch positioniert zu liegen kommt, daß aus beiden Platten Positionierungselemente (44) ausgebracht werden und in die Struktur hineinragen.

7. Verfahren zur Verbindungserstellung bei Leichtbaustrukturen, insbesondere unter Verwendung von Gittern nach Anspruch 1 bis 3 und Platten nach Anspruch 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß in Hohlräume einer Struktur eine (Gewinde-)Hülse (51) eingebracht wird.

8. Hülse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bund (54) die Hülse in ihrer Einbautiefe bestimmt.

9. Hülse nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese gegenüber der Leichtbaustruk tur eine Spielpassung (52) erhält und somit noch nach Einbau positioniert werden kann.

10. Hülse nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese auch bei anspruchsfremden Strukturen wie Gittern mit nur zwei verschiedenen Streifenrichtungen oder aber anderen Elemen ten wie Streifen oder Rohrabschnitten eingesetzt werden kann.