-
Bauelemente aus Verbundwerkstoffen
sind in vielfältiger
Form und insbesondere stofflicher Zusammensetzung bekannt. Ein Grundwerkstoff
wird hierbei mittels wenigstens eines Zusatzwerkstoffs zumindest
in seinen gebrauchs- und verarbeitungstechnischen Eigenschaften
mit der Maßgabe
verändert, dass
ein neuer, an einen speziellen Anwendungszweck besser angepasster
Werkstoff entsteht. Regelmäßig werden
somit durch den Zusatzwerkstoff, der in der Form von Partikeln,
Fasern oder Geflechten bzw. Geweben eingesetzt ist, Unvollkommenheiten
des Grundwerkstoffs ausgeglichen.
-
Neben armiertem Beton sind in diesem
Zusammenhang auch polymere Verbundwerkstoffe zu nennen, die aus
einer kontinuierlichen polymeren Matrix und darin eingebetteten
Füllstoffen
bestehen, welch letztere aus mineralischen Stoffen, Glas, Metall
oder auch aus polymeren Werkstoffen bestehen können und als Plättchen,
Fasern oder Gewebe vorliegen. Regelmäßig weisen diese Füllstoffe
einen höheren
Elastizitätsmodul
als der Matrixwerkstoff auf. Die Füllstoffe können auch lediglich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
eingesetzt sein, um die Verwendung eines relativ teuren Matrixwerkstoffs
zu vermindern und beispielsweise aus Kreideteilchen, Glaskugeln
oder Metallpulver bestehen. Durch diese inaktiven Füllstoffe
werden zumindest die mechanischen Eigenschaften des Matrixwerkstoffs
nur unwesentlich verändert.
Neben diesen inaktiven Füllstoffen
kann es sich jedoch auch um aktive Füllstoffe handeln, die z.B.
zur Verbesserung von Eigenschaften wie Festigkeit, insbesondere
Bruchfestigkeit, Durchstoßfestigkeit,
Schlagzähigkeit,
Warmbeständigkeit,
Feuerwiderstandsfähigkeit
usw. dienen und beispielsweise in der Form von Fasern, näm lich Glas-,
Polymer- oder Kohlenstofffasern oder auch Plättchen aus Kaolin, Glimmer
und dergleichen vorliegen.
-
In Abhängigkeit von den speziellen
werkstofflichen Eigenschaften des Matrixwerkstoffs sowie der Füllstoffe
ergeben sich mit Hinblick auf eine Entsorgung dieser Verbundwerkstoffe,
deren Deponierfähigkeit
sowie eventuelle Wiederverwertbarkeit beträchtliche Unterschiede. Eine
Wiederverwertung kann beispielsweise werkstofflich bzw. rohstofflich oder
zumindest energetisch erfolgen.
-
Fragen der Entsorgung und Wiederverwertung
von Werkstoffen gewinnen im Zuge einer sich zunehmend verschärfenden
Umwelt- und Verbraucherschutzgesetzgebung jedoch auch mit Hinblick auf
erwünschte
Materialkreisläufe
eine steigende Bedeutung. Im Gegensatz zu Duroplasten, bzw. Reaktionsharzen
und Elastomeren, die praktisch nur nach einer energetisch aufwendigen
Zerkleinerung entweder direkt oder nach weiterer Behandlung als
Füllstoffe
verwertbar sind, können
Thermoplaste aufgrund ihrer nahezu reversiblen Schmelz- und Formbarkeit regelmäßig einer
neuen Verwertung zugeführt
werden, so dass diese Werkstoffgruppe unter dem Gesichtspunkt eines
Recycling als besonders vorteilhaft gilt.
-
Als kostenaufwendig gilt die entsorgungstechnische
Behandlung von Verbundwerkstoffen, da von den mehreren in diese
eingebundenen Werkstoffen sich häufig
nur einer für
eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Wiederverwertung eignet,
wohingegen die übrigen äußerstenfalls
nur noch als Füllstoffe
verwertet werden können.
Neben einer Zerkleinerung des Verbundwerkstoffs ist eine Trennung
des Stoffgemisches in dessen einzelne Komponenten erforderlich,
wodurch zumindest die Wirtschaftlichkeit einer Wiederverwertung
häufig
infrage gestellt ist.
-
Im Hause der Anmelderin sind plattenartige, nach
Art eines Verbundwerkstoffs ausgebildete Baumaterialien bzw. Halbzeuge
mit einer Dicke von weniger als 3 mm bekannt, bei welchen sowohl
der Matrixwerkstoff als auch ein in diesen eingebundenes Armierungsgewebe
aus einem thermoplastischen Werkstoff bestehen. Ein solcher Verbundwerkstoff
ist durch beträchtlich
verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit,
Warmformbeständigkeit
und weiteren mechanischen Eigenschaften gekennzeichnet.
-
Es ist vor diesem Hintergrund die
Aufgabe der Erfindung, ein allgemein zumindest im Maschinenbau einsetzbares,
einfach bearbeitbares, gegebenenfalls halbzeugartiges Bauelement
der eingangs bezeichneten Art zu konzipieren, welches sich durch
verbesserte Recyclingeigenschaften, eine einfache Herstellbarkeit
sowie durch eine erhöhte
Anpassbarkeit hinsichtlich seiner Gebrauchseigenschaften auszeichnet.
Gelöst
ist diese Aufgabe bei einem solchen Bauelement durch die Merkmale
des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
-
Erfindungswesentlich ist hiernach,
dass das Bauelement aus einzelnen Schichten zusammengesetzt ist,
die als Verbundsystem erst das fertige Bauelement bilden. In Abweichung
von dem eingangs dargelegten Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Bauelement
somit aus voneinander unterscheidbaren Teilen zusammengesetzt, die
nach Maßgabe
ihrer stofflichen Beschaffenheit im Rahmen des Verbundsystems unterschiedliche
technische Funktionen erfüllen
können.
Dies eröffnet
die Möglichkeit
zur Konzipierung einer an den bestimmungsgemäßen Zweck optimal angepassten
Zusammenstellung und Anordnung der genannten Schichten im Rahmen
des Verbundsystems. Erfindungswesentlich ist ferner, dass im Rahmen
des Verbundsystems nur solche Werkstoffe Verwendung finden, die
einer Werkstofffamilie angehören.
Dies bedeutet, dass sämtliche,
in dem Bauelement eingesetzten Werkstoffe durch Gemeinsamkeiten
hinsichtlich der Verarbeitbarkeit und der Wiederverwertbarkeit gekennzeichnet
sind. Aus Eigenschaftsunterschieden resultierende Probleme klassischer
Verbundwerkstoffe, die im weitesten Sinne mit der Zerlegung in dessen Komponenten
und den jeweils unterschiedlichen Verarbeitungs- und Verwertungstechniken
zusammenhängen,
werden somit vermieden. Dies bedeutet, dass dieses Bauelement optimale
Recyclingeigenschaften aufweist oder zumindest problemlos entsorgbar
ist. Das Bauelement ist somit auf Materialkreisläufe hin, mit denen eine Wiederverwertung
von Abfallstoffen anstelle deren Deponierung bezweckt wird, zugeschnitten.
Das so erstellte Bau element kann ein Fertigbauteil sein – es kann
sich jedoch auch um ein Halbzeug handeln, welches anschließend noch
bearbeitet werden muss.
-
Bei den, im Rahmen des Bauelements
eingesetzten Werkstoffen handelt es sich gemäß den Merkmalen des Anspruchs
2 um solche, die entweder reversibel schmelz- sowie formbar und/oder
direkt energetisch verwertbar sind.
-
Die Schichten können entsprechend den Merkmalen
des Anspruchs 3 als getrennt voneinander hergestellte Bauteile vorliegen,
die anschließend zwecks
Bildung des erfindungsgemäßen Bauelements
miteinander verbunden werden. Soweit dies mit der Zweckbestimmung
des Bauelements vereinbar ist, kann es sich bei einem Teil der Bauteile
auch um im Handel verfügbare
Baumaterialien handeln.
-
Die Merkmale der Ansprüche 4 bis
6 sind auf werkstoffliche sowie strukturelle Varianten der einzelnen
Schichten gerichtet. Insbesondere kommen thermoplastische Werkstoffe
zum Einsatz, und zwar in armierter oder auch in nicht armierter
Form. Darüber hinaus
kommen Schichten zum Einsatz, die elektrisch leitfähig sind.
Dies ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass in den thermoplastischen
Werkstoff Kohlenstoff in fein verteilter Form eingebracht wird. Soweit
die Zugehörigkeit
der eingesetzten Werkstoffe zu einer Werkstofffamile gegeben ist,
können
im Rahmen des Verbundwerkstoffs mit Hinblick auf eine gezielte Modifizierung
der Eigenschaften einzelner Schichten auch andere Werkstoffe als
solche eingesetzt werden, die zur Bereitstellung der elektrischen Leitfähigkeit
dienen. Die räumliche
Anordnung von armierten und nicht armierten Schichten wird regelmäßig in Abhängigkeit
von der mechanischen Beanspruchung des Bauteils vorgenommen werden,
wobei im Vergleich zu glasfaserverstärkten Kunststoffen ein erfindungsgemäßes Bauelement
den Vorteil einer Massereduzierung mit sich bringt. Als Thermoplast kommt
z.B. preiswertes Polypropylen zum Einsatz, jedenfalls im Rahmen
des Grundwerkstoffs. Auch als Armierung dienende Zusatzwerkstoffe
können
aus thermoplastischen Stoffen oder aus Kohlenstoff bestehen, und
zwar in der Form von Geweben oder Fasern.
-
Die Merkmale der Ansprüche 7 und
8 sind auf eine erste bauteilmäßige Konkretisierung
des Bauelements gerichtet. Dieses liegt hiernach in Platten-, Balken-
oder Brettform, jedenfalls als ebenes Teil vor. Bei diesem erstrecken
sich die einzelnen Schichten regelmäßig parallel zu einer Ober-
oder Unterseite. Andere Orientierungen der Schichten sind jedoch
nicht ausgeschlossen. Die Orientierung der Schichten und gleichermaßen deren
stoffliche Zusammensetzung wird durch die technische Funktion bestimmt,
der das Bauelement zugeführt
wird.
-
Die Merkmale des Anspruchs 9 sind
auf eine räumliche,
z. B. winkelförmig
oder allgemein schalenartig und damit räumlich beliebig gekrümmte Konfiguration
der Schichten des Bauelements gerichtet. Diese Ausgestaltung kann
unter Anpassung an den Bestimmungszweck des Bauelements erfolgen.
-
Die Merkmale der Ansprüche 10 und
11 sind auf solche Ausgestaltungen des Bauelements gerichtet, bei
welchen die Schichten nunmehr – im Querschnitt
des Bauelements gesehen – die
Gestalt geschlossener Kurven bzw. einander umgebender Hüllkörper aufweisen.
Die Schichtenfolge im Rahmen einer solchen Anordnung richtet sich
wiederum nach dem technischen Bestimmungszweck des Bauelements,
Auch kann in diesem Fall von getrennt hergestellten, die einzelnen
Schichten bildenden Bauteilen ausgegangen werden, die zwecks Bildung
des Bauelements miteinander verbunden werden. Auf diese Weise kann
ein Bauelement mit einem Vollquerschnitt, jedoch auch ein solches
nach Art eines Hohlprofils gebildet werden.
-
Die Merkmale der Ansprüche 12 bis
14 sind auf weitere Ausgestaltungen der Schichten gerichtet, die
untereinander vorzugsweise durch Schweißung in Verbindung stehen.
-
Das erfindungsgemäße Bauelement kann als Fertigbauteil
oder auch als Halbzeug, das noch einer Weiterverarbeitung bedarf,
im gesamten Maschinen- und Apparatebau, der Elektrotechnik sowie im
allgemeinen Bauwesen eingesetzt werden, wo immer es um Strukturelemente
räumlicher,
flächiger oder
säulenförmig langgestreckter
Art geht. Es ist kostengünstig
unter Anpassung an einen Bestimmungszweck herstellbar, nahezu beliebig
bearbeitbar, und zwar zerspanend oder auch durch Warmverformung.
-
Die Erfindung wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf die durch die beiliegenden Zeichnungen schematisch
wiedergegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen:
-
1 eine
Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines plattenartigen
erfindungsgemäßen Bauelements;
-
2 eine
Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines plattenartigen
erfindungsgemäßen Bauelements;
-
3 eine
Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines plattenartigen
erfindungsgemäßen Bauelements;
-
4 eine
Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines plattenartigen
erfindungsgemäßen Bauelements;
-
5 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines räumlich
abgewinkelten erfindungsgemäßen Bauelements;
-
6 eine
perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines balkenartigen erfindungsgemäßen Bauelements
im teilweisen Schnitt;
-
7 eine
perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines balkenartigen
erfindungsgemäßen Bauelements
im teilweisen Schnitt.
-
Im Einzelnen ist in 1 mit 1 ein ebenes, platten- bzw. scheibenartiges
Bauelement bezeichnet, welches – senkrecht
zu seiner Ebene gesehen – aus
drei aufeinanderfolgenden Schichten zusammengesetzt ist. Es handelt
sich um eine mittlere, aus einem armierten Thermoplast, z. B. Polypropylen
bestehende Schicht 2, die beidseitig von nicht armierten,
ebenfalls thermoplastischen Schichten 3,4 überdeckt
ist. Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die Armie rung der Schicht 2 durch
ein Geflecht, Gewebe oder dergleichen gebildet ist, welches ebenfalls
aus einem thermoplastischen Werkstoff besteht, der jedoch regelmäßig eine
im Vergleich zum Grundwerkstoff der Schicht 2 größere Festigkeit
aufweist, so dass sich infolge der Armierung eine Verbesserung der
Belastbarkeitskennwerte der Schicht 2 ergibt. Die Armierung
kann in der Form eines oder auch mehrerer Gewebe vorliegen – sie kann
auch durch eine gleichförmige
Verteilung relativ kurzer thermoplastischer Fasern vorliegen, die
aus einem Werkstoff von im Vergleich zum Grundwerkstoff höherer Festigkeit bestehen.
Wesentlich ist jedoch, dass der Grundwerkstoff und der Armierungswerkstoff
oder ein sonstiger, einen Bestandteil des Kompositwerkstoffs bildender
Werkstoff jeweils Elemente der gleichen Werkstofffamilie sind.
-
Die Schichten 2,3,4 können wie
aus der Zeichnung ersichtlich eine ungefähr gleiche und insbesondere
gleichförmige
Dicke aufweisen – hiervon abweichende
Ausgestaltungen sind jedoch gleichermaßen möglich. Vorzugsweise werden
in den Schichten 3, 4 sowie bei dem Grundwerkstoff
der mittleren Schicht 2 gleiche thermoplastische Werkstoffe
eingesetzt. Diese Vorraussetzung ist zwar vorteilhaft, jedoch nicht
in allen Fällen
zwingend erforderlich. Wesentlich ist jedoch, dass das Bauelement als
Ganzes betrachtet, werkstofflich zumindest insoweit als homogen
anzusehen ist, als es um Fragen der weiteren Verarbeitung, insbesondere
auch der nachträglichen
Umformung sowie auch der Entsorgung, der Eignung für eine Wiederverwertung
usw geht.
-
Die Herstellung des Bauelements 1 kann ausgehend
von im Handel erhältlichen
Platten erfolgen, die größenmäßig den
Schichten 2 bis 4 entsprechen. Deren werkstoffliche
Beschaffenheit eröffnet die
Möglichkeit,
diese Platten unter Aufwendung von Wärme und Druck miteinander zu
verbinden, nämlich durch
oberflächliches
Aufschmelzen, somit nach Art eines Schweißvorgangs. Auf diese Weise
entsteht ein plattenartiges homogenes Bauelement 1, welches
als Endprodukt in unterschiedlichsten Funktionszusammenhängen einsetzbar
ist oder ein halbzeugartiges Produkt, welches einer Weiterverarbeitung
zugeführt
wird.
-
Eine Weiterverarbeitung des Bauelements 1 kann – wiederum
werkstoffbedingt – durch
Warmverformung, jedoch auch zerspanend erfolgen.
-
In den 2 und 3 sind zweite 1" und dritte 1" Varianten eines
erfindungsgemäßen plattenartigen
Bauelements dargestellt, die aus lediglich zwei Schichten 5,6 bzw.. 5,7 bestehen.
Mit 5 ist wiederum eine aus einem armierten Thermoplast
bestehende Schicht bezeichnet, die im Fall der 2 mit einer dickenmäßig im Wesentlichen gleichen
Schicht 6 aus einem unarmierten Thermoplast einen Verbund
bildet.
-
Im Fall der 3 steht die Schicht 5 aus armiertem
Thermoplast mit einer Schicht 7 aus einem Kohlenstoff in
fein verteilter Form enthaltenden Thermoplast in Verbindung. Die
Schicht 7 ist somit elektrisch leitfähig und kann in dieser Eigenschaft
einen Teil eines elektrischen Systems bilden. Sie kann beispielsweise
bei Verwendung eines solchen Bauelements 1" als Teil eines Gehäuses zur
Ableitung statischer Elektrizität
bzw. zur Verhinderung statischer Aufladungen benutzt werden. Sie
kann auch ein sonstiges Element einer elektrischen Schaltungsanordnung
sein.
-
Die Herstellung der beiden Bauelemente 1', 1" kann in gleicher
Weise wie diejenige des Bauelements 1 ablaufen. Auch gestaltet
sich eine Weiterverarbeitung im Wesentlichen gleich.
-
Das in 4 dargestellte
plattenartige Bauelement 1"' unterscheidet
sich von demjenigen der 1 bis 3 lediglich in der Zahl senkrecht
zu seiner Grundebene aufeinanderfolgenden Schichten sowie deren
Folge. Zwischen zwei mittleren, aus einem armierten thermoplastischen
Werkstoff bestehenden Schichten 5', 5" befindet sich eine Schicht 8 aus
einem nicht armierten Thermoplast, wohingegen Schichten 9, 10 aus
einem wiederum nicht armierten Thermoplast beiderseits den äußeren Abschluss
dieser Schichtenfolge bilden.
-
Erfindungsgemäße Bauelemente sind nicht auf
plattenförmige
Bauelemente beschränkt.
Sie sind auch in beliebiger räumlich
gekrümmter
Konfiguration vorstellbar. So zeigt 5 ein
winkelartiges Bauelement 11, dessen beide Wan dungselemente 11', 11" in gleicher
Weise wie dasjenige der 1 aus drei
aufeinanderfolgenden Schichten bestehen, nämlich zwei äußeren Schichten 12, 13 aus
einem nicht armierten Thermoplast und einer inneren Schicht 14 aus
einem armierten Thermoplast.
-
Räumlich
gekrümmte
Bauelemente 11 ermöglichen
eine weitergehendere Vorfertigung unter Anpassung an den jeweiligen
Einsatzfall. Sie können grundsätzlich in
gleicher Weise wie die vorstehend bereits beschriebenen Bauelemente
hergestellt werden, nämlich
durch Verschweißen
von nach Maßgabe
der einzelnen Schichten 12 bis 14 vorgefertigten Bauteilen.
-
6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Bauelement 15,
welches eine brett- bzw.. balkenartige Gestalt aufweist, die aus
zwei äußeren Schichten 16, 17 aus
einem nicht armierten Thermoplasten und einer mittleren Schicht 18 aus
einem armierten Thermoplasten besteht. Diese Schichtenfolge ist
jedoch nur beispielhaft zu verstehen und es könnten gleichermaßen auch
die beiden äußeren Schichten
aus einem armierten Thermoplasten bestehen und eine mittlere Schicht
bestehend aus einem nicht armierten Thermoplasten umschließen. Letztgenannte
Variante kann bei Biegebeanspruchung unter Festigkeitsgesichtspunkten
von Vorteil sein.
-
Wesensmerkmal der vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele
ist, dass das erfindungsgemäße Prinzip
bei im Wesentlichen platten- oder scheibenartigen, ebenen oder räumlich gekrümmten oder
in sonstiger Weise strukturierten Bauteilen verwirklicht ist, deren örtliche
Wandungsdicke senkrecht zu ihrer Grundebene klein im Verhältnis zu ihrer
flächenhaften
Erstreckung ist, wobei die Folge der beispielsweise durch Schweißung miteinander verbundenen
Schichten senkrecht zu dieser Ebene orientiert ist.
-
7 zeigt
ein Bauelement 19, welches beispielsweise aus einem nicht
armierten thermoplastischen, im Querschnitt rechteckigen Träger 20 besteht,
der von einem Hüllkörper 21 bestehend
aus einem armierten Thermoplasten umgeben ist, welcher seinerseits
von einem weiteren Hüllkörper 22 bestehend
wiederum aus einem nicht armierten Thermoplasten umgeben ist. Die
Anordnung der Hüllkörper 21, 22 bildet
zusammen mit dem Träger 20 bzw. Kernabschnitt
eine Schichtenfolge, die durch Verbinden von getrennt voneinander
nach Maßgabe
dieser drei Elemente vorgefertigten Bauteilen hergestellt worden
ist. Die werkstoffliche Reihenfolge dieser Schichten ist wiederum
lediglich beispielhaft zu verstehen und wird durch den Verwendungszweck
des Bauelements bestimmt.
-
Das Prinzip eines schalenartigen
Aufbaus eines Bauelements 19 gemäß 7 ist nicht auf die gezeigte rechteckige
bzw. polygonale Querschnittsform beschränkt. Insbesondere kann dieses
auch bei sonstigen Querschnittsformen einschließlich Kreisquerschnitten Verwendung
finden.
-
Anstelle von Vollquerschnitten können bei Bauelementen
entsprechend demjenigen der 7 auch
zentrale Hohlräume
vorgesehen sein, so dass ein rohrartiges Bauelement entsteht.
-
Die Schichtenfolge bei allen erfindungsgemäßen Bauelementen
wird durch den Gebrauchszweck bestimmt. So sind auch Bauelemente
vorstellbar, die zur Gänze
aus gleichartigen, z. B. armierten thermoplastischen Schichten bestehen.
-
Man erkennt, dass die erfindungsgemäße Lehre
in einem weiten Rahmen eine Anpassung der Eigenschaften von Bauelementen
ermöglicht,
und zwar durch modulartiges Zusammensetzen und Miteinanderverbinden
von Basisbauteilen. Das auf diese Weise entstehende Bauelement weist
aufgrund seiner Verbundeigenschaft äußerst vorteilhafte Gebrauchseigenschaften
auf und kann trotz seines Charakters als Kompositwerkstoff aufgrund
seiner besonderen werkstofflichen Zusammensetzung als zumindest
in vielen Eigenschaften weitestgehend homogen angesehen werden.
Es kommt außerdem
den zukünftig
verstärkt
zu erwartenden Anforderungen hinsichtlich einer Recyclingtauglichkeit
besonders entgegen.