DE4340348B4

DE4340348B4 - Bauteil, enthaltend keramische Hohlkörper

Info

Publication number: DE4340348B4
Application number: DE4340348A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günther Dipl.-Ing. Haldenwanger; Peter Dr. Klose
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2013-11-27
Also published as: DE4340348A1

Abstract

Bauteil, umfassend eine Hülle mit darin aufgenommenen keramischen Hohlkörpern, wobei die keramischen Hohlkörper in mindestens zwei Lagen in die Hülle eingebracht sind und sich jede Lage durch ihren Durchmesser und/oder ihre Wandstärke unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hahlkörper durch Einbettung in eine Matrix aus Leichtmetall zu einer vorgeformten Packung zusammengefaßt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil, umfassend eine Hülle mit darin aufgenommenen keramischen Hohlkörpern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 29 17 687 C2 ist ein Stoßpolster mit einem energieabsorbierenden Kern, der von einem elastischen Mantel umgeben ist, bekannt. Der Kern besteht aus einer Schüttung aus mineralischem Partikelschaum, dessen Zwischenvolumen von einem Schaumkunststoff ausgefüllt ist. Der mineralische Partikelschaum kann aus kugelförmigen Blähton-, Blähsilikat, oder Blähschieferpartikeln bestehen.

Darüber hinaus sind keramische Hohlkugeln, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Porzellan, bekannt. Aufgrund der Eigenschaften werden derartige Hohlkugeln bereits in der Wärme- und Schalldämmung, beim Brandschutz, in der Katalysatortechnik, zur Energieabsorption und auch in der Wehrtechnik (Explosionsschutz) eingesetzt.

Die Hohlkugeln können unterschiedliche Durchmesser (z. B. 1 bis 6 mm) und Wandstärken (z. B. 10 μm bis einige mm) aufweisen. Die Herstellung der keramischen Hohlkugeln erfolgt über Blasdüsen, durch die die keramische Suspension mit leichtem Überdruck geblasen wird. Die dabei entstehenden Blasen werden durch einen Querstrom weggetragen und in einem warmen Gegenluftstrom getrocknet.

In einem anschließenden Sinterprozeß erhalten die Kugeln ihre endgültige Form und Festigkeit. Durch elektronische Prozeßüberwachung und 100%ige Qualitätskontrolle (Flotationsverfahren) werden eine sehr enge Größenverteilung und fehlerfreie Kugeln garantiert.

Aus der US 3 923 292 ist ein Reformationselement mit einer Hülle bekannt, die mit keramischen Hohlkörper und in zwei Lagen in der Hülle angeordnet, wobei sich die Lagen durch Hohlkörper mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Wandstärken unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil unter Einsatz keramischer Hohlkörper so auszugestalten, daß es einen günstigen Kraft-Weg-Verlauf aufweist und in einfacher Weise an verschiedene Bedingungen angepasst werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass die Hohlkörper durch Einbettung in eine Matrix aus Leichtmetall zu einer vorgeformten Packung zusammengefasst sind, sind ein einfaches Händeln der Hohlkörper und in einfacher Weise verschiedene Kennungen für das Bauteil möglich. Für den letztgenannten Zweck sind nur unterschiedliche Packungen notwendig, die je nach Bedarf zum Einsatz kommen. Natürlich ist nicht nur über verschiedene Packungen, sondern auch über die Anzahl der verbauten Packungen eine Anpassung möglich.

Da mindestens zwei Lagen von keramischen Hohlkörpern vorgesehen sind, wobei sich jede Lage durch ihren Durchmesser und/oder ihre Wandstärke unterscheidet, läßt sich ein genau definierter Kraft-Weg-Verlauf und ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei gegebenen Weg erreichen. Dabei ist eine große Wandstärke der keramischen Hohlkörper oder Kügelchen gleichbedeutend mit einer großen Kraftaufnahme; ein großer Durchmesser bzw. eine geringe Wandstärke gleichbleibend mit einem höheren Weg. Durch die Schichtung unterschiedlicher Kugeln in Kraftrichtung läßt sich eine genau definierte Kennlinie erzeugen. Dies ist beispielsweise bei Deformationselementen von großer Bedeutung. Die Verwendung der keramischen Hohlkörper selbst hat außerdem den Vorteil, daß über einen bestimmten Weg ein etwa konstantes Kraftniveau gehalten werden kann, wodurch sich ein hohes Maß an Energieumwandlung ergibt.

Durch die vorgeschlagene Lösung lassen sich beispielsweise auch Bauteile im Bereich einer Krafteinleitung verstärken. Solche Bauteile können im Fahrzeugbau etwa die Anschlußstelle für einen Sicherheitsgurt oder eine Karosseriesäule sein. Zur Herstellung wird bevorzugt ein Vorformling in ein entsprechendes Werkzeug eingelegt und ein Alu-Druckgußprozeß ein geleitet. Die dadurch entstandene Alu-Matrix verteilt ausgeübten Druck gleichmäßig auf die Kügelchen, was besonders in den Randbereichen wichtig ist. Die Anordnung der Hohlkugeln wird zweckmäßig so getroffen, daß in Bereichen großer Druckbelastung (Biegeträger) kleine und ggf. dickwandigere Kügelchen Verwendung finden. In den gegenüberliegenden Bereichen werden dann größere Kügelchen eingesetzt.

Um hier eine Verbesserung zu schaffen, wird vorgeschlagen, die außerhalb hergestellte, unterschiedliche Lagen keramischer Hohlkörper aufweisende Packung mit dem hohlen Bauteil (Hülle) durch Klebung zu verbinden. Dadurch ist ein genau festgelegter Aufbau mit verschiedenen Lagen keramischer Hohlkörper gewährleistet und ein guter Kraftverbund zu dem Bauteil sichergestellt.

Der Anspruch 3 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausgestaltung hinsichtlich der Verklebung der Verpackung.

Wenn das Bauteil zur Aufnahme von Zugkräften ausgestaltet sein soll, dann ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Hohlkörpern und/oder als Deckschicht ein Gewebe vorgesehen wird. Solche als Zugfasern eingesetzte Gewebeeinlagen können beispielsweise aus Kevlar bestehen.

Die Ansprüche 5, 6 und 7 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils, insbesondere zur Aufnahme oder zum Anschluß weiterer Bauteile.

Die keramischen Hohlkörper (Hohlkugeln) sind vornehmlich bestimmt und geeignet, Druckkräfte aufzunehmen. In besonders vorteilhafter Weise kann die neue Ausgestaltung jedoch auch einen Biegeträger wesentlich verbessern. Dies geschieht dadurch, daß in den Druckzonen des Biegeträgers relativ kleine und dickwandige Hohlkörper und in den Zugzonen relativ große und dünnwandige Hohlkörper angeordnet werden. Die Anordnung kann dabei durch die in den Ansprüchen 1 bis 9 vorgeschlagenen Maßnahmen erfolgen. Besonders zweckmäßig ist dabei natürlich, wenn die keramischen Hohlkörper in Leichtmetall eingebettet sind und dieser Verbund mit der Hülle zu dem einen Träger bildenden Bauteil – beispielsweise durch Klebung – verbunden ist.

Bevorzugt wird für die keramischen Hohlkörper die Verwendung von Aluminiumoxid-Hohlkugeln vorgeschlagen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt
1 ein Kraft-Weg-Diagramm und
2 in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch ein mit Aluminiumoxid-Hohlkugeln verstärktes Bauteil.
Ein in 1 schematisch dargestelltes Bauteil 3 ist mit drei Lagen keramischer Hohlkugeln gefüllt. Die erste, sich an die Krafteinleitung (dargestellt durch Pfeil 5) anschließende Lage besteht aus relativ großen, dünnwandigen Hohlkugeln 7. Daran schließt sich eine Lage mit mittelgroßen Hohlkugeln 9 an. Schließlich ist noch eine Lage sehr kleiner Kugeln 11 vorgesehen, welche sich von der mittleren Lage bis zum Grund des Bauteiles 3 erstreckt.
Über dem Bauteil 3 ist ein Kraft-Weg-Diagramm in Zuordnung zu den jeweiligen Lagen von Hohlkugeln aufgetragen. Daraus ist unmittelbar ersichtlich, daß sich in Abhängigkeit von der Größe der keramischen Hohlkugeln über den Weg verschieden hohe Kraftniveaus ergeben. Diese lassen sich – neben dem Durchmesser der Hohlkugeln – auch über die jeweilige Wandstärke beeinflussen.
2 zeigt ein Bauteil 13 mit einem Kabelkanal 15. Bis auf den Kabelkanal 15 ist das Bauteil 13 vollständig mit keramischen Hohlkugeln, beispielsweise aus Aluminiumoxid, ausgefüllt. Die Hohlkugeln sind in einer Matrix angeordnet und mit der Außenwandung des Bauteils 13 verbunden.
Die Anordnung der keramischen Hohlkugeln ist so getroffen, daß im Außenbereich ein kleiner Kugeldurchmesser vorherrscht, wodurch dort eine höhere Druckfestigkeit gegeben ist. Im Innenbereich, also den Kabelkanal umschließend, sind relativ große Hohlkugeln angeordnet, die entsprechend der geringeren Belastung in diesen Zonen eine geringere Druckfestigkeit aufweisen. Die größeren Hohlkugeln reduzieren durch ihr geringeres spezifisches Gewicht darüber hinaus auch das Bauteilgewicht.

Claims

Bauteil, umfassend eine Hülle mit darin aufgenommenen keramischen Hohlkörpern, wobei die keramischen Hohlkörper in mindestens zwei Lagen in die Hülle eingebracht sind und sich jede Lage durch ihren Durchmesser und/oder ihre Wandstärke unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hahlkörper durch Einbettung in eine Matrix aus Leichtmetall zu einer vorgeformten Packung zusammengefaßt sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung mit der Hülle durch Klebung verbunden ist.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung einer gleichmäßig dicken Kleberschicht an der Außenseite der Packung Abstandselemente (Noppen) angeformt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hohlkörpern und/oder als Deckschicht ein Gewebe zur Aufnahme von Zugkräften vorgesehen ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil mit einer durchgehenden Aussparung versehen ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in das Bauteil sog. Inserts (z. B. Gewindebuchse) mit eingeformt sind.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Inserts mit Hinterschneidungen versehen sind und/oder einen unrunden Querschnitt zur formschlüssigen Verbindung mit den Hohlkörpern und/oder dem Matrixwerkstoff aufweisen.
Bauteil, welches einen Biegeträger bildet, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung in den Druckzonen des Biegeträgers relativ kleine und dickwandige Hohlkörper und in den Zugzonen relativ große und dünnwandige Hohlkörper umfaßt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Hohlkörper Aluminiumoxid-Hohlkugeln sind.