DE29614430U1 - Sandwich-Bauteil - Google Patents

Sandwich-Bauteil

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Description

Dipl.-Ing. Norbert Janz 09. August 1996
14612 Falkensee
JUS46.G2
Sandwich-Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Sandwich-Bauteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Hitzeschilde wie auch thermisch belastbare Schalldämmelemente zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor haben in den letzten Jahren im Zusammenhang mit der Entwicklung der
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Kraftfahrzeug- und hier speziell auch der Motorentechnik hin zu gewichts- und damit kraftstoffsparenden Lösungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ihre massenhafte Verwendung auf diesem Gebiet setzt neben physikalisch-technischer Eignung zur Erfüllung der ihnen zugedachten Aufgabe niedrige Kosten und Unbedenklichkeit unter gesundheitlichen und Umweltschutzaspekten voraus.
Laminate oder Sandwich-Bauteile aus zwei metallischen Schichten und einer zwischen diesen angeordneten nichtmetallischen Isolier- oder Verbindungsschicht oder auch einfach aus zwei Metallblechen haben sich als grundsätzlich geeignet erwiesen, diese komplexen Anforderungen weitgehend zu erfüllen.
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Aus DE 87 00 918 Ul sowie DE 93 15 470 Ul isind sehr einfache, nur aus zwei Blechen - gemäß der letzteren Druckschrift insbesondere von unterschiedlicher Stärke - bestehende Bauteile zur Geräuschdämmung bekannt. Deren schalldämmende Wirkung ist aber infolge des rein metallischen Aufbaus begrenzt.
Bekannt ist weiterhin eine Vielzahl von Bauteilen, die eine relativ dicke nichtmetallische Dämmlage in einer metallischen Ummantelung aufweisen, vgl. hierzu beispielsweise DE 87 00 919 Ul, DE 88 12 026 Ul, DE 40 36 261 Al oder DE 92 11 921 Ul. Hierbei ist jeweils ein tragendes Blech vorgesehen, auf das die Dämmschicht mit einer sehr dünnen Metall-Deckschicht aufkaschiert ist. Derartige Bauteile 0 sind schon wegen ihrer Dicke und der eingeschränkten Formgebungsmöglichkeiten für eine Reihe von Anwendungen im Be-
•It ·· I*
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reich von Verbrennungsmotoren nicht geeignet und haben zudem eine begrenzte mechanische und thermische Langzeitstabilität.
Aus DE 43 00 817 Al ist ein ähnliches Bauteil mit verringerter Dicke und erhöhter mechanischer Stabilität bekannt, das eine vergleichsweise komplizierte Raumform erhalten kann. Die Verbindung der metallischen Schichten wird in aufwendiger Weise durch ein Umbördeln des Randes hergestellt. Diese Verbindungsmethode wird auch beim Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschildes nach DE 42 11 575 Al angewandt, wobei es auf optimale Schalldämmeigenschaften nicht ankommt.
Bekannt sind auch Sandwichbleche aus zwei Metallagen und einer diese verbindenden nichtmetallischen Zwischenschicht. Bei hohen thermischen Beanspruchungen, insbesondere unter zusätzlicher Schwingungsbelastung, sind diese Verbünde nicht zuverlässig stabil.
Aus DE 40 15 169 Al ist ein zweilagiges Stahlblech-Formteil bekannt, bei dem auf ein Blech punktuell eine schalldämmende Zwischenlage aufgebracht ist und die Bleche in von dieser Lage freien Bereichen punktverschweißt sind.
Auch hier ist die Herstellung der Verbindung relativ aufwendig, und die Dämmeigenschaften lassen zu wünschen übrig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sandwich-Bauteil der eingangs genannten Gattung anzugeben, das sich durch einfache Herstellung und somit geringe Kosten bei guten Schall- und Wärmedämmeigenschaften auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, ein durch Umformen von Sandwichblech erhaltenes Bauteil durch eine leicht herstellbare, unlösbare mechanische Verbindung für einen Einsatz unter hohen thermischen und mechanischen Belastungen geeignet zu machen und seine Schalldämmeigenschaften noch zu verbessern. Sie schließt weiter den Gedanken ein, als Verbindungsmittel geeignet lokalisierte Umform-Fügebereiche vorzusehen, die im Zuge des Umformens zur Erzeugung der gewünschten Raumform ausgebildet werden können. Mindestens ein Fügebereich oder -punkt soll randfern eine feste Verbindung zwischen den Metallschichten bilden.
Dies sind insbesondere sogenannte Tox- oder Clinchpunkte.
Das Vorsehen dieser Fügebereiche in der Fläche des Bauteils erbringt gegenüber einer nur am Rand vorgesehenen Verbindung durch Umbördeln ein im Sinne erhöhter Schalldämmung deutlich verbessertes Schwingungsverhalten.
Derartige Umform-Fügebereiche können in einem vollflächig dreischichtigen Laminat ausgebildet werden. Die mechanisehe Stabilität der Verbindung kann aber - auch zugunsten einer weietren Optimierung des Schwingungsverhaltens - erhöht werden, wenn in den Fügebereichen keine Zwischenschicht vorgesehen ist. Diese kann speziell für die Fügepunkte ausgespart sein, oder die Fügepunkte werden in Be-0 reichen plaziert, in denen aus anderen Gründen keine Zwischenschicht vorgesehen ist.
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Die Zwischenschicht ist bevorzugt ein Vliesmaterial, insbesondere ein anorganisches oder gemischt organischanorganisches Faservlies. In einer besonders kostengünstigen Ausführung besteht dieses aus glasfaserverstärkter Pappe. Für mäßige thermische Beanspruchung eignet sich auch eine glas- oder kohlefaserverstärkte oder auch unverstärkte Kunstharz-Zwischenschicht, für hohe thermische Beanspruchung kommen insbesondere Keramik-, Kohle- oder Mineralfaservliese in Frage.
Die Metallbleche sind insbesondere Stahlbleche, deren Schalldämmeigenschaften sich durch die Wahl unterschiedlicher Dicke (und damit unterschiedlicher Rssonanzfrequenz) für beide Bleche vorteilhaft einstellen lassen. Weiterhin kommt Aluminium in Betracht - speziell im Verbund mit einem Stahlblech als zweites Blech.
Die dem Einsatzort angepaßte räumliche Form des Bauteils schließt in einer speziellen Ausführung eine Wellen-, Waffel- oder Rippenform ein. In einer alternativen bevorzugten Ausführung ist nur eines der Metallbleche - mindestens abschnittsweise - wellen-oder waffelartig verformt, wärend das andere im wesentlichen eben ist, wobei die Dicke der Zwischenschicht über das gesamte Sandwich-Bauteil im wesentlichen konstant ist. Diese Ausführung ist speziell aus einem einseitig beschichteten Halbzeug und einem separaten Blech gebildet.
Die Gesamt-Materialdicke beträgt für bevorzugte Anwendungen weniger als 2 mm, wobei die Dicke der Zwischenschicht typischerweise weniger als 1 mm beträgt und beide Bleche eine Dicke im Bereich von je 0,2 bis 0,8 mm aufweisen.
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Für ein wichtiges Anwendungsfeld hat das Bauteil speziell die Form eines Krümmerabdeckbleches für einen Kraftfahrzeug-Abgaskrümmer; es kann aber beispielsweise auch als Abdeckblech für andere Teile einer Abgasanlage geformt sein.
Dsa oben spezifizierte Bauteil kann auch, insbesondere in einem mehrkomponentigen Schalldämmelement oder Hitzeschild, mit einem oder mehreren zusätzlichen Blech(en) verbunden sein. Hierbei ist eine Bauform besonders vorteilhaft, bei der das - der Schall- oder Wärmequelle zugewandte - Sandwich-Bauteil mindestens abschnittsweise wellen- oder waffelartig verformt und das zusätzliche Blech im wesentlichen eben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näiier dargestellt. Es zeigen:
die Figuren la bis Id ein Sandwich-Bauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vier Stufen seiner Herstellung, wobei Fig. Ie das Endprodukt darstellt,
die Figuren 2a bis 2d schematisch wesentliche Phasen der Bildung eines Umform-Fügebereiches durch Tox-Fügen bei einem Sandwich-Bauteil in einer Ausführungsform der Erfindung und
die Figuren 3a bis 3d schematisch wesentliche Phasen der Bildung eines Umform-Fügebereiches durch BTM-Fügen bei
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einem Sandwich-Bauteil in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
In Fig. la ist in einer Explosionsdarstellung ein ebener Zuschnitt 1 aus Verbundblech mit zwei Stahl-Teilblechen IA und IB mit unterschiedlicher Stärke und einer diese verbindenden Zwischenschicht IC aus glasfaserverstärkter Pappe gezeigt. Derartige Verbundbleche sind als Halbfabrikat erhältlich, es ist aber auch möglich, den Verbund in einer Anfangsstufe der Herstellung eines Sandwich-Bauteiles vor Ort zu bilden. Die Teile IA bis IC haften aneinander, können aber zusätzlich in Randbereichen formschlüssig miteinander verbunden sein, um einen sicheren Zusammenhalt in nachfolgenden Formgebungsschritten zu gewährleisten.
Fig. Ib zeigt den Zuschnitt, nachdem er einer ersten Umformung zur Festlegung der räumlichen Grundform unterzogen wurde, in schematischer Darstellung in Gestalt eines Roh-Formteiles 11. In dieses sind drei konkave Bereiche 11a, lib und lic eingedrückt, die in einem weiteren Umformschritt - mit veränderter Werkstückorientierung - unter gleichzeitigem Ausstanzen von Löchern endgültig als Montageabschnitte ausgeformt werden.
In einem Umform- und Fügeschritt werden dann in einem speziellen Fügewerkzeug sogenannte Toxpunkte als Fügebereiche in der Fläche des Sandwich-Bauteils gebildet. Fig. Ic zeigt das Sandwich-Bauteil 21 nach Abschluß der Umformschritte, wobei die oben erwähnten Montageabschnitte mit 21a bis 21c und die Toxpunkte mit 21d bis 21h bezeichnet sind. Während die Tox- bzw. Fügepunkte 21d bis 21g bei dem
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hier gezeigten Bauteil relativ nahe am Außenrand angeordnet sind, ist der Toxpunkt 21h im mittleren Bereich vorgesehen und sorgt für eine starke Schwingungs-Kopplung und stabile Verbindung zwischen den Schichten 21A und 21B auch in diesem Bereich, in dem ohne diesen Toxpunkt nur die Adhäsion der Teilschichten eine Verbindung schaffen würde.
Unter starker thermischer und ggfs. zusätzlicher Schwingungsbelastung wäre dies keine dauerhaft zuverlässige Verbindung, und im Langzeitbetrieb könnte es zu einer zunehmenden schwingungsmäßigen Entkopplung der Metallbleche mit der Folge einer Verschlechterung der Dämmeigenschaften kommen. Zudem sind die Blechstärken der Schichten 2IA und 21B so gewählt, daß insbesondere im Falle starker Kopplung jeweils eine Schicht in relevanten Frequenzbereichen dämpfend auf die jeweils andere Schicht einwirkt, die dort einen Resonanzbereich hat. Daher werden durch den Fügepunkt 21h - der diese starke Kopplung schafft - bereits die anfänglichen Dämmeigenschaften vorteilhaft beeinflußt.
Fig. Id zeigt das als Abgaskrümmer-Abdeckblech 31 fertiggestellte Bauteil nach Einsetzen eines AnschlußStutzens 31 i zur Abführung von unter dem Abdeckblech angesammelter heißer Luft. (Die Bezeichnung der übrigen Bereiche ist analog zu der in Fig. Ic gewählten. ) Das fertige Bauteil hat sowohl eine Schalldämm- als auch eine Hitzeschildfunktion.
Die obigen Darstellungen sind als schematische zu verstehen; in der Praxis wird bereits das Halbzeug (provisorische) Fügeverbindungen aufweisen, und die endgültige Kon-
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tür wird in der Regel durch ein zusätzliches Beschneiden nach dem Umformen zur Bildung der räumlichen Form festgelegt, wobei auch die provisorischen Pügeverbindungen mit entfernt werden.
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Die Herstellung der Umform-Fügebereiche bzw. -punkte 21d bis 21h nach zwei unterschiedlichen bevorzugten Verfahren ist den Figuren 2a bis 2d bzw. 3a bis 3d schematisch dargestellt.
In Fig. 2a ist ein Abschnitt des aus den Schichten 11A, HB und HC aufgebauten Roh-Formteiles 11 (Fig. Ib) im Bereich eines - hier stark vereinfacht skizzierten - Tox-Fügewerkzeuges 100 mit einer eine Ringnut 101a in der Stirnfläche aufweisenden Matrize 101 und einem Fügestempel 102 - im angehobenen Zustand - gezeigt. (Der im Querschnitt rechteckig dargestellte Eingriffsabschnitt 101a des Stempels ist in der Praxis mit einem kleinen Kegelwinkel von 2-2,5° kegelstumpfförmig.)
Fig. 2b zeigt einen Tiefziehvorgang als erste Phase des Druckfügens. Der Stempel 101 wird soweit in das Material 11 abgesenkt, daß das obere Blech HA und die Zwischenschicht HB eine annähernd zylindrische Einprägung erhalten, während Material des unteren Blechs HC - das ebenfalls eine solche Einprägung erfährt - zunächst in die Ringnut 102a der Matrize 102 fließt.
Wird - wie in Fig. 2c dargestellt - der Stempel 101 vollständig in die Matrize 102 abgesenkt, so erfolgt im sogenannten Auspreßvorgang ein gegenläufiges Fließen von Mate-
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rial des oberen Blechs HA radial nach außen im unteren Bereich der Matrize 102 und von Material des unteren Blechs HC radial nach innen in deren oberem Bereich. Durch diese Materialflüsse wird ein Verpressen oder Verstemmen der Metallschichten HA und HB (mit der Zwischenschicht HC) und somit eine unlösbare formschlüssige Verbindung bewirkt.
Nach Anheben des Stempels - wie in Fig. 2d gezeigt - kann das gefügte Formteil 21 mit dem Fügepunkt 21h aus dem Werkzeug 100 entnommen werden.
Das in Fig. 3a bis 3d in Anwendung auf ein modifiziertes Roh-Formteil H1 schematisch dargestellte Druckfügeverfahren gleicht im Ablauf weitgehend dem oben skizzierten, so daß auf die oben erwähnte Schrittfolge Bezug genommen werden kann und die Bezugsziffern denen von Fig. 2a bis 2d angelehnt sind. Beim Roh-Formteil H1 ist im Bereich des künftigen Druckfügepunktes die Zwischenschicht HC ausgespart, vgl. insbesondere Fig. 3a.
Ein veränderter Aufbau der Matrize 202 des Werkzeugs 200 ergibt jedoch einen etwas anders geformten Druckfügepunkt 21h1 (Fig. 3d): Die Matrize 202 umfaßt ein stempelartiges starres Innenteil 202a und radial bewegbare Elemente 202b, die in einer das Metrizen-Innenteil umschließenden Hülse 202c geführt sind und über einen auf der Hülse 202c aufliegenden und die Segmente 202b tangential umschließenden Federring 202d nach innen gedrückt werden. Im Auspreß-0 schritt - siehe Fig. 3c - werden diese Segmente nach außen bewegt, wodurch ein Materialfluß beider Schichten HA1 ,
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HB1 radial nach außen im Bodenbereich des Fügepunktes ermöglicht und bewirkt wird.
Die Freigabe des gefügten Formteils geschieht hier durch gleichzeitiges Anheben des Stempels 201 und Absenken der Matrize 202, wobei die Segmente 202b sich wieder nach innen bewegen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Insbesondere sind entsprechend dem konkreten Einsatzgebiet und speziellen Fahrzeugmodell bzw. Motor vielgestaltige räumliche Formen des Sandwich-Bauteils realisierbar wahlweise speziell auch mit einer Mehrzahl von randfern angeordneten Druckfügebereichen und/oder zusätzlichen Verbindungsmitteln {etwa Schweiß- oder Klebepunkten). Neben Bauteilen aus Stahlblech-Verbünden sind auch solche aus oder mit anderen Metallen, speziell aus oder mit Aluminiumblechen, herstellbar, die die Merkmale der Erfindung aufweisen. Es können auch Bleche gleicher Dicke im Verbund eingesetzt werden. Ähnlich variabel ist - in Anpassung an die konkreten Einsatzbedingungen - die Wahl der Zwischenschicht und die spezielle räumliche Ausformung in Anpassung an verschiedene Teile bzw. Bereiche einer Verbrennungskraftmaschine .

Claims (13)

JUS46.G2 - 12 - Ansprüche
1. Sandwich-Bauteil,, insbesondere Hitzeschild oder Schalldämmelement zum Einsatz bei einem Verbrennungsmotor, bestehend aus zwei Metallblechen und einer mindestens abschnittsweise zwischen den Metallblechen angeordneten, eine Dicke in maximal derselben Größenordnung wie diese aufweisenden, nichtmetallischen Zwischenschicht,
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dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallbleche mit der Zwischenschicht räumlich verformt sind und mindestens ein eng begrenzter Umform-Fügebereich vorgesehen ist, der nicht im Bereich der Außenkontur des Sandwich-Bauteils angeordnet ist.
2. Sandwich-Bauteil nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von
eng begrenzten Umform-Fügebereichen vorgesehen ist, von denen ein Teil im Bereich der Außenkontur des Sandwich-.... Bauteils angeordnet ist.
3. Sandwich-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, mindestens einige der Umform-Pügebereiche als Tox- oder Clinchpunkte ausgeführt sind.
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4. Sandwich-Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß im Bereich mindestens eines der Umform-Fügebereiche keine Zwischenschicht vorgesehen ist.
5. Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ein Vliesmaterial, insbesondere ein anorganisches oder gemischt organisch-anorganisches Faservlies, aufweist.
6. Sandwich-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vliesmaterial glasfaserverstärkte Pappe ist.
7. Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbleche Stahlbleche unterschiedlicher Dicke sind.
8. Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Metallbleche mindestens abschnittsweise wellen- oder waffelartig verformt ist, wärend das andere im wesentlichen eben ist, wobei die Dicke der Zwischenschicht über das gesamte Sandwich-Bauelement im wesentlichen konstant ist.
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9. Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gesamt-Materialdicke von weniger als 2 mm, wobei die Dicke der Zwischenschicht weniger als 1 mm beträgt.
10. Sandwich-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke jedes der Metallbleche im Bereich zwischen 0,2 und 0,8 mm liegt.
11. Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die räumliche Verformung in die Form eines Abgaskrümmer-Abdeckbleches.
12. Schalldämmelement, bestehend aus einem Sandwich-Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche und einem mit diesem, insbesondere punktuell, fest verbundenen zusätzlichen Blech.
13. Schalldämmelement nach Anspruch' 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandwich-Bauteil mindestens abschnittsweise wellen- oder waffelartig verformt und das zusätzliche Blech im wesentlichen eben ist.
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