DE2454792A1

DE2454792A1 - Zellenartige struktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2454792A1
Application number: DE19742454792
Authority: DE
Inventors: Keith Noakes
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1973-11-21
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1975-06-19
Also published as: JPS5093858A; FR2251773A1

Description

DR. BSRG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. S4NDMAIR

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45 fc H 3 4 /^4

Anwaltsakte 25 566 1 9. NOV. 1974

CIBA-GEIGY AG
Basel / Schweiz

Zellenartige Struktur und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Erfindung "betrifft zellenartige Strukturmaterialien, die zum Absorbieren kinetischer Energie geeignet sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Fertigstellung.

Die Verwendung von zellenartigen Strukturmaterialien (Wabenstruktur) zum Absorbieren von mechanischen Stoßen

50 9825/06 9 8

Oase 37-9123/AKIi 213

t (089) 988272 I 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische-Vereinsbank München 453100

987043 . Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 389 2623

983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808

ist bekannt. Wabenstrukturschichten haben einen sehr hohen Widerstand gegen ein Zusammendrücken in der Richtung der Zellen, d. h. normal zur Stirnseite der Waben, so daß sie beträchtlich viel kinetische Energie absorbieren, wenn sie in dieser Richtung auf Stauchung beansprucht werden. Da sie für ihre Festigkeit vergleichsweise leicht sind, sind sie besonders gut zum Schutz von Gegenständen gegen mechanische Stöße aufgrund einer Kollision, beispielsweise für Schutzhelme, am Fuß von Hubwellen, zum Herstellen von stoßabsorbierenden Strukturen für Fahrzeuge und zum Verpacken empfindlicher Gegenstände wie wissenschaftliche Instrumente geeignet. Übliche Zellenstrukturschichten haben Jedoch einen Nachteil, wenn sie zur Energieabsorption verwendet werden: die hohe Anfangsfestigkeit der Zellenschicht muß überwunden werden, bevor sie sich regelmäßig verformt. Ein Diagramm der Stauchkraft aufgetragen über die Stauchstrecke (Stauchmaß) für bekannte Zellenschichten, die in der Zellenrichtung gestaucht werden, zeigt, daß ein Scheitelwert erhalten wird, während die Stauchstrecke bei hoher Stauchkraft noch sehr klein ist, bis ein Punkt erreicht wird, wo die Anfangsfestigkeit überwunden ist, wonach die Zellenschicht gleichförmig gestaucht wird. Dies ist in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt.

509825/0698

Fig. Λ ist ein Diagramm der über die Stauchstrecke aufgetragenen Stauchlast und zeigt die Stauchcharakteristik eines typischen Stücks einer üblichen Zellenschicht. Anfänglich ist die erforderliche Last zum Zusammenpressen der Zellenschicht sehr hoch. Sie erreicht ein Maximum bei A. Wenn diese Anfangsfestigkeit überwunden ist, wird die Zellenschicht stetig mit etwa der Hälfe der Anfangslast zusammengepreßt. Endlich wird bei B ein Punkt erreicht, wo die Zellenschicht vollständig gestaucht ist und einem festen Block gleicht. Mit zunehmender Last kommt es dann zu einer sehr geringen weiteren Stauchung.

Von der praktischen Seite her gesehen bedeutet dies, daß ein empfindlicher Gegenstand vor der Überwindung der Anfangsfestigkeit der Zellenschicht beschädigt wird, welche ihn schützen soll.

Es ist bekannt, dieses Problem dadurch zu lösen, daß die Zellenschicht etwas vorgestaucht wird, so daß die Zellen leicht gebeult sind. Diese Versuche waren jedoch nicht voll zufriedenstellend: es kann keine Zellenschicht auf diese Weise mit ηη^οη Dickentoleranzen erhalten werden und es ist schwierig, rm sie ein Deckblatt mittels eines Klebers wegen der unr eg el näß ig en Eatur der Kanten zu befestigen, denn

509825/063 8 - 4 -

einige Zelleiitbeulen an der einen Kante, andere an der anderen Kante und einige in der Mitte.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, durch welches eine zellenartige Schicht zur Verringerung ihres Anfangswiderstandes gegen Stauchung weicher gemacht werden kann, wo"bei die Zellen der Zellenstruktur regelmäßig "bleiben, und von kontrollierbarer Dicke sind und Kanten haben, an welchen mittels eines Klebers Deckblätter befestigt werden können. Erfindungsgemäß werden in die Zellenwände der Zellenschicht Kerben eingeschnitten.

Gemäß der Erfindung ist eine Zellenschicht in ausgedehntem oder nicht ausgedehntem Zustand vorgesehen, wobei im wesentlichen sämtliche Zellenwände wenigstens eine Kerbe aufweisen, die in die Zellenkante eingeschnitten ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Zellenschichten, die bei einer Stauchung sich regelmäßig deformieren, umfaßt das Einschneiden wenigstens einer Kerbe jeweils in im wesentlichen sämtliche Zellenwände eines auseinandergezogenen oder nicht auseinandergezogenen Stückes einer Zellenstruktur.

_ 5 _ 5093 2 5/0698

_ C

Zellenschichten, "bei denen in den Zellenwänden Schlitze vorgesehen sind, sind beispielsweise in den GB-PS'en 987 877 und 1 049 528 vorbeschrieben. Diese Schlitze sind tief in die Zellenwände (etwa über zwei Drittel von deren Erstreckung) eingeschnitten, damit die Zellenschicht inn eine gekrümmte -Fläche gebogen werden kann. Pur den Zweck der Erfindung sind jedoch flache Kerben, die eine Tiefe von etwa zwischen 4 und 15 Prozent der Höhe der Zellenwände haben, besser geeignet. Gemäß den genannten Druckschriften werden einige der Zellenwände, nämlich diejenigen Zellenwände geschlitzt, welche aus lediglich einer Schichtdicke des Wandmaterials bestehen. Im Sinne der Erfindung jedoch ist es wesentlich, daß zur Absenkung der Anfangsfestigkeit der Zellenschicht die "Knoten"-Wände, d. h. diejenigen Wände, welche aus zwei Lagen aus Wandmaterial mit dazwischenliegender Klebschicht bestehen, zusätzlich zu den anderen Wänden gekerbt sind.

Es ist auch bekannt, Zellenschichten mit Löchern in den Zellenwänden zu versehen, damit während der Aushärtung des Klebers bei der Herstellung der Zellenschicht flüchtige Stoffe besser entweichen können. Eine derartige Zellenschicht ist weicher in sämtlichen Stauchstadien als eine Zellenstruktur ohne diese Löcher, nichtsdestoweniger zeigt sie jedoch dasselbe grundsätzliche Stauchverhalten mit einer

-•6 5 09825/06 9 8

hohen Anfangsfestigkeit, auf welche ein niedrigerer gleichförmiger Widerstand bis zur vollständigen Zusammendrückung folgt. Die Modifizierung einer Zellenschicht im Sinne der Erfindung verringert jedoch die Anfangsfestigkeit ohne Einflußnahme auf die Festigkeit in späteren YerformungsStadien.

Das Einschneiden der. Kerben kann manuell oder automatisch bei gestrecktem oder nicht gestrecktem Material, durch konventionelle spanabhebende Bearbeitung oder durch Erodieren, mittels eines Kamms scharfer Klingen oder durch Verwendung einer gekerbten Rolle geschehen. Eine gekerbte Rolle ist insbesondere vorteilhaft, weil die Kerben schnell eingeschnitten werden können und der Kerbvorgang einfach ist. Eine typische Kerbrolle ist in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt.

In dieser Figur weist ein Bügel 1, welcher an einem Stiel 2 befestigt ist, eine Achse 3 auf, auf welcher glatte Hollen 4 und eine gekerbte Rolle 5 aufgepaßt sind. Die glatten Rollen 4 sind auswechselbar. Durch .änderung ihres Durchmessers kann die wirksame Schnitttiefe der gekerbten Rolle 5 geändert werden. Die gekerbte Rolle 5 ist aus einem harten Schneidmaterial hergestellt, wie gehärtetem Stahl. Diese Rolle wird über die obere und/oder untere Oberfläche der auseinandergezogenen Zellenschicht manuell oder automatisch gestoßen, so daß Kerben der erforderlichen Tiefe in sämtliche

509825/0698

Zellenwände eingeschnitten werden.' Eine in dieser Weise "bearbeitete Wabenzellenschicht ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Wenngleich diese Figur eine Wabenstruktur mit regelmäßigen Sechseckzellen zeigt, können andere Zellenformen vorgesehen sein, wie rechteckige, schiefe, verstärkte sechseckige und einwellige Zellen.

Das Material, aus welchem die Zellenschicht hergestellt ist, kann Metallfolien, mit Harz imprägniertes Papier oder andere mit Harz imprägnierte synthetische oder natürliche Faserbahnmaterialien, wie solche mit lylon, Glasfasern oder Polyestermaterial, umfassen. Zur Erzielung einer besonders wirksamen Ungleichung der Festigkeits- und Stoßabsorptionseigenschaften wird jedoch eine Zellenschicht vorgezogen, die aus Metall besteht, insbesondere aus Aluminiumfolie.

Die geeigneteste Tiefe für die Kerben und deren Gestalt hängt in großem Maße ab von dem letztlichen Verwendungszweck der Zellenstruktur. Wenn die beschriebene gekerbte Bolle verwendet wird, werden V-förmige Kerben eingeschnitten. Mit Hilfe anderer Schneideinrichtungen können Kerben mit anderer Gestalt erzeugt werden. Wie bereits angegeben, erstrecken sich diese Kerben zur Minimierung des Anfangswiderstandes gegen Stauchung bei Aufrechterhaltung einer ausreichenden Stauchfestigkeit der als wirksamer Stoßfänger

5 0 9 3 2 ο /0698 _ßÄD ORIGINAL - 8 -

geeigneten Zellenschicht im allgemeinen über 4 bis 15 Prozent und insbesondere über etwa 8 Prozent der Höhe der Zellenwände hin.

Falls gewünscht, können mehr als eine Kerbe in jede Zellenwand eingeschnitten werden. Es ist jedoch wichtig, daß bei Verwendung eines Abdeckbogens eine ausreichend große ungekerbte Kantenlänge der Zellenwände verbleibt, daß der Bogen fest an der Frontseite der Zellenschicht befestigt werden kann.

Das Kerben kann bei auseinandergezogenem oder nicht auseinandergezogenem Zellenstrukturmaterial durchgeführt werden. Der gewählte Materialzustand hängt eher von dem Schneidverfahren als von anderen Faktoren ab. Wenn die Kerben durch spanabhebende Bearbeitung eingearbeitet werden, ist es im allgemeinen besser, mit einem nicht auseinandergezogenen Material zu arbeiten, wohingegen es im allgemeinen besser ist, mit auseinandergezogenem Zellenschichtmaterial zu arbeiten, wenn das Einschneiden der Kerben unter Verwendung einer gekerbten Rolle geschieht.

Im allgemeinen soll in jeder Zellenwand eine Kerbe vorhanden sein. Es liegt jedoch noch im Bereich der Erfindung, wenn

5 0 9 8 2 IW 0 B 9 8 " ⁹

beispielsweise aus Herstellungsgründen oder aus anderen Gründen nur der größere Teil der Zellenwände, etwa ungefähr 80 bis 90 Prozent, mit einer Kerbe versehen werden.

Durch das folgende Beispiel wird die Erfindung erläutert.

Beispielt

Ein Stück einer 'Zellenschicht mit 6,4· mm Tiefe und mit sechseckigen Zellen mit einer Zellengröße von 3»2 mm wurde durch ein konventionelles Expandierverfahren aus einem Band mit 0,076 mm Dicke aus einer Aluminiumlegierung unter Verwendung eines für die Knotenbindung sorgenden Klebers vorbereitet. In die obere Fläche der Zellenwände wurden manuell mit Hilfe einer gekerbten Rolle entsprechend Fig. 2 der Zeichnung Schlitze eingeschnitten., ICn quer über die Zellenstruktur verlaufenden Durchgängen in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen wurden im Mittel drei Schlitze in sämtlichen Zellenwänden hergestellt. Die Schnitt-<Lefe betrug annähernd 6 Prozent der Zellentiefe.

Diese Zellenschicht wurde bei konstanter Kompressionsrate, in einer sogenannten Instron-Universaltestmaschine zusammengepreßt. Die für das Zusammenpressen der Probe erforderliche

• - 10 -

5 09 825/OH98

mittlere Belastung betrug 8 MN/m und es war keine anfäng-.liche Gipfelfestigkext vorhanden. Das resultierende Diagramm der über das Stauchmaß aufgetragenen Belastung ist in S¹Ig. 4-der Zeichnung, dargestellt.

Ein ähnliches Stück einer Wabenzellenschicht ohne Schlitze in den Zellwänden wurde in derselben Weise gestaucht. Das
zugehörige Diagramm der Last aufgetragen über das Stauchmaß war ähnlich wie dasjenige, welches in 3?ig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Die anfängliche Gipfelbelastung entsprach

ρ ·

einer Last von 16,8 MN/m und der Mittelwert der Belastung

für den Rest der Stauchperiode betrug 8 MN/m .

- Ansprüche -

- 11

5 0 9825/0698

Claims

Ansprüche :

1.) Zellenschicht, insbesondere aus in Abständen aneinander gebundenen Streifen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen in seinen Kanten wenigstens eine Kerbe in im wesentlichen sämtlichen Bereichen, in denen die Streifen aneinandergebunden- sind, und in im wesentlichen sämtlichen der Zwischenbereiche aufweist.

2. Zellenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kerbe in jedem der Bereiche, in welchen die Streifen aneinandergebunden sind, und in jedem der Zwischenbereiche vorgesehen ist.

3. Zellenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, , daß wenigstens eine Kerbe eine Tiefe von zwischen 4· Prozent und 15 Prozent der Streifenbreite hat.

A. Zellenscliicht nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus einem mit Harz imprägnierten Faserbahnmaterial bestehen.

- 12 B0 9825/0698

5- Zellenschicht nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus Aluminiumfolie bestehen.

6. Zellenschicht nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche der Zellen eine sechseckige Querschnittsform haben.

7. Verfahren zur Herstellung einer Zellenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Streifen aus Bahnmaterial vorgesehen werden, die Streifen in Abständen aneinandergebunden werden, die dazwischenliegenden Bereiche zur Ausbildung einer Mehrzahl von Zellen mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt voneinander

. getrennt werden und wenigstens eine Kerbe in wenigstens eine Kante von im wesentlichen sämtlichen der Zellenwände mit Hilfe einer gekerbten Eolle eingeschnitten wird .

5 0 9 8 2 5/ (I H 9 8

Leerseite