DE2043034A1

DE2043034A1 - Werkstoff zur Stoßenergieabsorption

Info

Publication number: DE2043034A1
Application number: DE19702043034
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing 6380 Bad Homburg Rausch Werner Dr 6372 Stoer Stadt Thiele
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1970-08-31
Filing date: 1970-08-31
Publication date: 1972-03-16
Also published as: FR2106220A5

Description

11ETALLGESELLSCIWi¹T FrankfurtΛί rlpr, οη a 107η

Aktiengesellschaft o£/LPf? ' "

Frankfurt (Hain)

Prov. Nr.: 6562 H

Werkstoff zur Stoßenergieabsorption

Es sind Werkstoffe bekannt, die durch Verwendung von Blähkörpern, die einer Metallschmelze eingemischt wurden, hergestellt sind (DAS 1 294 024) oder Schaummetallkörper, die durch Einbringen von Metallhydriden, z.B. Zirkoniumhydrid als gasabspaltenden Stoff, aufgeschäumt werden (DAS 1 433 112) gegebenenfalls unter Zusatz siliziumhaltiger Mineralien zur Erhöhung der Zähigkeit der Schmelze.

Andere Methoden sehen das Einbringen von anorganischen Leichtkörpern vor.

liach den vorbekannten Verfahren hergestellte Werkstoffe befriedigen nicht in allen Bereichen des Einsatzes der techn. Praxis. Sie sind für bestimmte Einsatsbereiche zu hart, d.h. die Aufprallenergie wird erst oberhalb einer Schwelle als Deformationsenergie verbraucht. Die üblichen Belantungowerte solcher Materialien liegen über 200 kg/cm .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem vorgenannten Stand der Technik benannten Nachteile zu beseiti-

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gen, insbesondere, daß der Formänderungswiderstand vergleichsweise gering und der Werkstoff ein überwiegend plastisches Verhalten aufweisen soll. Ferner soll der Werkstoff ein relativ niedriges Raumgewicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird erf indungsgernäß dadurch gelöst;, daß der Werkstoff ein Volumengebilde sich kreuzender und berührender Drähte, Fäden und/oder Fasern darstellt, deren Berührungs- und Kreusungsnunkfce starr fixiert sind. Dieses starre Fixieren erfolgt durch einen Iiaterialauftrag oder ein Überzugsmaterial, das die Drähte, Fäden und/oder die Pasern gegen relatives Verschieben zueinander sichert.

Die Anordnung der Drähte, Fäden und/oder Pasern in Volumengebilde kann dabei durch Stricken, ^;,/irken, V/eben oder vliesartiges Verarbeiten erfolgen. Durch nachfolgendes Zusammenrollen, Palten und Schichten, v/obei unter gegebenen Voraussetzungen auch durch Pressen und Profilgebung auf die späteren Eigenschaften und Perm hingevrirkt werden kann.

Die derart vorbereiteten Volunengebilde können aus metallischen, anorganischen wie auch organischen Drähten, Fäden und/oder Pasern hergestellt sein und gegebenenfalls einen Überzug bereits bei der Vorbereitung aufweisen. Geeignete Drahtmaterialien, zur Herstellung des Volumeiigebildes, sind die gängigen praktischen Drahterzeugnisse insbesondere

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mis Hisen, Kupfer, Aluminium, Zink und deren Legierungen.

Die verwendeten Metallischen Drähte können auch mit Metall- oder Kunststoffüberzügen versehen sein.

Daneben finden anorganische Fasern Verwendung, insbesondere aus Silikaten wie Asbest und Glas.

Organische Pasern und Fäden, vorzugsweise solche aus Kunststoffen bieten den Vorteil des geringen Gewichtes und besonders bei Kunststoffen die günstige Verarbeitbarkeit.

!3ur Herstellung des erfindungsgemr.ßen Werkstoffes haben sich

Metall-

Drahtstärken von vorzugsweise 0,1 bis 1 nun Durchmesser als vorteilhaft erwiesen bei Kunststoffäden waren solche von vorzugsweise 0,2 bis 2,0 mm Durchmesser von Vorteil.

Die vorbereiteten Volumengebilde werden durch einen I'nterialauftrag oder -überzug in ihrer räumlichen Anordnung fixiert. Ist bereits der Überzug vorhanden, erfolgt das Fixieren des Werkstoffs vorteilhaft durch ein Verschweißen oder auch ein Zusammenschmelzen des Überzuges der in Kontakt stehenden Kreuzungs- und Berührungspunkte von Drähten, Fäden oder Fasern»

Das verwendete Auftrags- oder Überzugsmaterial, das sich in zahlreichen Fällen nach dem Material der Drähte, Fäden und/oder Fasern richtet, ist ein Metall, eine Metallegierung oder ein Kunststoff, Die metallischen Auftrags- und Überzugs-

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materialien sind z.B. sowohl Aluminium, Magnesium, Zink, Zinn, Blei, Kupfer und Nickel allein oder zu mehreren. Es können auch ihre Legierungen verwendet v/erden, wobei v/eitere Legierungskomponenten, wie vorzugsweise Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff und Silizium eingebracht sind.

In der Praxis haben sich Aluminium-Silizium-Legierungen mit Zusätzen von 1 bis 50·Gew.$, vorzugsweise 5 bis 20 Qe\i,^c/o Silizium, Aluminium-Magnesium-Legierungen mit 1 bis 30 Gew.^, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.^ Magnesiumzusatz und Zink-Aluminium-Legierungen mit Zusätzen von Zink in Größenordnungen von 1 bis 30 Gew.^, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.$ Zink, besonders für Volumengebilde von Metalldrähten oder -fäden bewährt.

Die Metalle und ihre Legierungen werden je nach Bedarf und Verfahren als Pulver oder Schmelze eingesetzt.

Die verwendbaren Kunststoffe sind die Thermoplaste und " die Duroplaste, wobei besonders die Polymerisate fluorierter Olefine von Vorteil sind.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen -Werkstoffes erfolgt nach einem v/eiteren Merkmal der Erfindung. Zum Fixieren des vorliegenden Volumengebildes von Drähten, Fäden und/ oder Fasern an ihren Kreuzungs- und Berührungspunkten wird ein in der Metallverarbeitung als "Zusammenlöten" bezeichnetes Verfahren verwendet.

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Erfindungsgemäß wird der fixierende Materialauftrag durch zeitlich begrenztes Eintauchen des Volumengebildes in eine Schmelze erreicht. Anschließendes Abschleudern entfernt überflüssiges Auftragsmaterial und begünstigt die Bildung von Knotenpunkten, die dem Werkstoff die erforderliche Gtarrheit verleihen. Die Zeitdauer des Eintauchens des Volumengebildes variiert je nach der Viskosität der Schmelze, deren Temperatur nur wenige Grade über dem Schmelzpunkt des aufzutragenden Materials, vorteilhaft 10 bis 20 C höher als dieser, und unter dem Schmelzpunkt des Materials für das Volumengebilde liegen soll. Me Eintauchzeit dauert vorteilhaft von weniger als einer Sekunde bis zu 5 Minuten.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes ergibt sich durch Anlagern des Auftragsmaterials als Abscheidung aus einer Lösung. Das im Tauchbad dispergierte Auftragsmaterial lagert sich adhäsiv an das Drahtoder Fasergebilde an, verfestigt sich nach Entfernung des Lösungsmittels und fixiert so die Kreuzungs- und Berührungspunkte. Dabei kann die Überzugsbildung auch durch galvanische Verfahren erfolgen.

Vielfach ist notwendig, durch nachfolgendes Erwärmen über den Schmelzpunkt des Auftragsmaterials, ein Zusammenziehen des Überzuges an den Kreuzungs- und Berührungspunkten zu erreichen.

Ein weiteres Verfahren zum Aufbringen des Überzugswerkatoffes

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stellt das Aufdampfen dar. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Anlagerung des Auftragsmaterials gleichmäßig durch das Volumengebilde und verstärkt an den Kreuzungs- und Berührungspunkten erfolgt.

Ähnlich vorteilhaft ist das Verfahren der Aufbringung des Materials durch Aufspritzen. Hierbei ist jedoch vielfach ein weiterer Arbeitsgang erforderlich, um eine günstige Verteilung des Auftragsmaterials zu erreichen. Dieser Arbeitsgang kann vorher erfolgen, indem das Volumengebilde erhitzt und im erhitzten Zustande das Überzugsmaterial aufgespritzt wird. Das Auftragsmaterial kann nach dem Aufspritzen kurz erhitzt v/erden, um den Überzug zusammenfließen zu lassen und um damit das Fixieren der Kreuzungsund Berührungspunkte zu erreichen.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung erfährt die Erfindung durch die Anwendung des Wirbelsinterverfahrens, wobei eine Pulverbeschichtung des Volumengebildes erfolgt. Ist das Volumengebilde heiß in den Wirbelschichtreaktor eingebracht worden, zerschmelzen die auftreffenden Partikel und bilden den fixierenden Überzug.

Bei relativ gleicher Temperatur empfiehlt sich ein nachträgliches Aufschmelzen des Auftragsmaterials um einen fixierenden Überzug, vorzugsweise an den Kreuzungs- und Berührungspunkten des Volumengebildes, zu erreichen»

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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zur Vergrößerung der Krafteinleitungsfläche der so erhaltene Werkstoff noch zusätzlich mit einem Kunststoffschauin abgedeckt werden«.

Der'so erhaltene erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich für den Einsatz in der Sicherheitstechnik, v/o sein hohes -Absorptionsvermögen für kinetische Energie ein weites Einsatzfeld findet. So finden sich praktische Anwendungsgebiete im Kraftfahrzeugbau und im Flugzeugbau. Wegen der geringen Raumgewichte eignet sich dieser Werkstoff auch als Bauelement, z.B. zur verlorenen Schalung im Hoch- und Tiefbau.

Die mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff erzielbaren Vorteile liegen insbesondere im guten Absorptionsvermögen von Stoßenergie bei sehr geringem lormänderungswiderstand.

Dieser stoßabsorbierende Werkstoff ist darum gerade für die Innenauskleidung der IFahrgastzelle von Fahrzeugen, v/ie z.B. die Abpolsteruiig des Instrumentenbrettes, der Abdeckung von Lenkradnaben und der Herstellung von Schutzhelmen und dergleichen besonders geeignet.

Auf Grund seiner weiteren physikalischen Eigenschaften, wie leichtes Gewicht und Großporigkeit, die gegebenenfalls durch Einbringen von Kunststoffschäumen verringert werden

können, ergeben sich damit Eigenschaften von besonderem Interesse auf dem Gebiet der Schall- und Schwingungs-

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absorption.

Beispiel 1

Es wurde ein verzinktes, handelsübliches pfeilgewelltes Stahldrahtgestrick in Schlauchform verwendet.

Es handelt sich um ein Gestrick aus Draht mit einem Durchmesser von 0,30 mm und einem Gewicht des Gestrickes von 6,8 g/dm .

■ Dieses Gestrick wurde in einer Länge von 50 cm senkrecht zur Richtung der Schlauchachse zu einem Rundkörper von 37 mm Durchmesser gerollt und in eine Tauchvorrichtung geschoben.

Die Tauchbehandlung des so vorgefertigten Drahtkörpers erfolgte in einer Al-Si 7 -Schmelze von 610 G.

Die Tauchzeit· betrug 3 Sekunden«,
^ Überflüssige Schmelze wurde !abgeschleudert.

Der auf diese Weise hergestellte Werkstoff hatte folgende Daten:

Raumgewicht nach der Tauchbehandlung 0,52 g/cm"*, es wurde ein mittlerer Formänderungswiderstand bei

40 $iger Stauchung mit 15 kg/cm und bei 70 fo

Stauchung mit 30 kg/cm ermittelt.

Das Energieaufnahmevermögen beträgt entsprechend bis zu einer 40 folgen Stauchung 30 m kg/dm^J, und bis zu einer 70 folgen Stauchung 110 m kg/dm .

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Beispiel 2

Aus dem gleichen.I-Iaterial vrie in Beispiel 1 wurde zur Herstellung einer Eechteckprobe das Drahtgestrick faltenbalgartig geschichtet und in eine Tauchverrichtung in den Abmessungen 35 x 75 m/m geschoben.

Die Tauchbehandlung des so vorgefertigten Drahtkörpers erfolgte in einer Al-Di 7~Schmelze von 610⁰G.

Die Tauchzeit betrug 3 Sekunden.
Überflüssige Schmelze wurde abgeschleudert.

Der auf diese Weise hergestellte Werkstoff hatte folgende Daten:

Das Raumgewicht nach der Tauchbehandlung betrug 0,27 g/cm , sein mittlerer Formänderungswiderstand wurde bei 40 ^iger Stauchung tiit 3 kg/cm

o· und bei 70 i^iger Stauchung mit 5>4 kg/cm'" ermittelt.

Das Energieaufnahmevermögen beträgt entsprechend bis zu

? zu einer 40 ^igen Stauchung 12 m kg/dm und bis/einer 70 ^£/£igen Stauchung 40 m. kg/dm .

Beispiel 3

Aus dem gleichen Material wie in Beispiel 1 wurde ein G-estrick mit einer Länge von 100 cm senkrecht zur Richtung der Schlauchachse zu einem Rundkörper von 55 mm Durchmesser gerollt und auf 25O⁰G erwärmt'.

Bei dieser Temperatur wurde das Drahtgebilde in einer Wirbelsinteranlage mit einem Thermoplast (Rilsan = Polyamid-

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-loll = polymerisiertes Undecansäureamid) beschichtefc.

!fach dieser Behandlung betrug das Raumgewicht 0,52 g/ci.i^. Gein mittlerer Formänderungswiderstand wurde bei 40 pi^er Stauchung als auch bei 70 ',oiger Stauchung mit 12 hg/cn ermittelt.

Das Energieaufnahmevermögen vmrde entsprechend bin zu einer 40 ^igen Stauchung nit 40 mlcg/dm und bis zu einer 70 'folgen

•7.

Stauchung mit 70 mkg/dm ermittelt.

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- Patentansprüche

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Claims

- 11 Patentansprüche .

1) Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Volurnengebilde von sich kreuzenden und berührenden Drähten, Fäden und/oder Fasern, deren Berührungsund Kreuzuiigspunkte starr fixiert sind,

2) Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung durch Materialauftrag hergestellt ist.

3) Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung durch oberflächliches Anschmelzen hergestellt ist.

4) Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte, Fäden und/oder Fasern aus Metall bestehen.

5) Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte, Fäden und/oder Fasern aus anorganischen Stoffen bestehen.

6) Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch

g ekennzeiohnet, daß die Drähte, Fäden und/oder Fasern aus Kunststoffen bestehen.

7) Werkstoff nach einem der Ansprüche 1, 2, 4i 5, dadurch

- gekennzeichnet, daß das Auftragsmaterial metallisch ist,

8) Werkstoff nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragsmaterial aus Al, Mg, ITi, Zn, Sn, Pb, Cu oder deren Legierungen mit zusätzlichen Elementen besteht.

• - 1.2 -

BADORtGlNAt

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9) Werkstoff nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5» 6> dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragsmaterial aus Kunststoff "besteht.

10) Werkstoff nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß das Äuftragsmaterial aus einem Thermoplast oder einem Duroplast "besteht.

11) Werkstoff nach Anspruch ^ dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte, Fäden und/oder Pasern aus einem niedrig schmelzenden Metall bestehen oder mit einem derartigen Metall überzogen sind.

12) Werkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte, Fäden und/oder Fasern aus Kunststoff oder einem mit Kunststoff überzogenen Metall bestehen.

13) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag durch Eintauchen des Volumengebildes

in eine Schmelze erfolgt.

14) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch Abscheiden aus einer Lösung aufgetragen wird,

15) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag durch galvanische Verfahren erfolgt.

16) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag durch Aufdampfen erfolgt.

17) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach

- "■■:■ Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag durch Aufspritzen erfolgt.

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18) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag im Wirbelsinter-Verfahren erfolgt.

19) Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag kurzzeitig aufgeschmolzen wird,

20) Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 bis 19 zur Absorption kinetischer Energie.

21) Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 Ms 19 als Baumaterial,,

22) Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 bis 1.9 als Verpackungsmaterial,

23} Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenraum des Werkstoffes mit geschäumtem Kunststoff gefüllt ist.

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