DE4425828C2 - Strukturelement in Sandwich-Form - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturelement in
Sandwich-Form, bestehend aus zwei im Abstand voneinander
und parallel zueinander angeordneten Decklagen, zwischen
denen eine Vielzahl von im wesentlichen senkrecht zu den
Ebenen der beiden Decklagen sich erstreckende Kernfasern
angeordnet sind und aus einem die beiden Decklagen
verbindenden umlaufenden Rand.
In vielen industriellen Bereichen gibt es einen großen
Bedarf an Strukturwerkstoffen mit hoher Steifigkeit, z. B.
in der Flugzeugindustrie. Besonders groß ist dabei der
Bedarf an Strukturelementen mit variabler Steifigkeit, wie
sie in der Natur häufig zu finden sind. Bisherige
Forschungen haben sich im Labormaßstab im wesentlichen auf
Formgedächtnislegierungen sowie elektro- und
magnetostriktive Materialen bezogen, wobei vor allem deren
sehr kleine Effekte, d. h. die nur geringe Änderung der
Steifigkeit und zusätzlich die Umsetzung in
Strukturelemente größerer Abmessungen noch große
Schwierigkeiten bereiten.
Das DE 90 13 194 U1 beschreibt ein gefülltes Mehrlagengewebe
mit einer durch verkreuzte oder unverkreuzte Kett- und
Schußfäden einstellbaren Oberware und Unterware, die über
Bindeketten aneinander geheftet sind und zwischen denen ein
Füllmaterial eingelegt ist, wobei jeweils mehrere
Bindeketten die Ober- und Unterware an einzelnen in
Schußrichtung beabstandeten Abbindungsstellen mit Abstand
zueinander anbinden unter Bildung benachbart liegender und
in Kettrichtung sich erstreckender Fächer, in das das
Füllmaterial eingelegt ist. In die Fächer des
Mehrlagengewebes sind dabei Füllmaterialien in Form von
Bändern, Schläuchen und dgl. einsetzbar, die beim
Webvorgang eingelegt werden und die die Räume im
wesentlichen ausfüllen. Als Füllmaterial dienen dabei non
woven Materialien, also nicht gewebte Materialien, wie z. B.
Vliese. Die für solche non-woven Materialien
verwendeten Fasergarne sind insbesondere Core-Garne mit
einem saugfähigen Kern. Weiterhin werden als
Füllmaterialien Schaumstoffe vorgeschlagen sowie als
flexible Füllstoffe auch geflochtene Glasstränge oder
Glasschläuche. Je nach Art des Anwendungsgebietes des
Mehrlagengewebes können auch unter Wärme oder in Folge
chemischer Reaktionen quellende oder volumenvergrößernde
Füllmaterialien eingewebt werden. Damit sollen gefüllte
Mehrlagengewebe geschaffen werden, mit hoher Festigkeit und
Steifigkeit, die einen schnellen Dickenaufbau ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Strukturelement in Sandwich-Form zu schaffen, das einfach
aufgebaut und billig herstellbar ist und mit dem eine
variable Steifigkeit in vorgegebenen Grenzen eingestellt
werden kann, um das Strukturelement optimal an sich
ändernde Anforderungen während des Einsatzes anzupassen.
Ausgehend von einem Strukturelement der eingangs näher
genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen,
daß der verbleibende Hohlraum zwischen den beiden Decklagen
mit einem Stoff gefüllt ist, der durch Energiezufuhr
reversibel vom festen in den flüssigen Zustand überführbar
ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die beiden
Decklagen und die sie verbindenden Fasern aus elektrisch
leitender Glaswolle oder aber aus Kohlefasern. Die
Energiezufuhr zur Überführung des Füllstoffes vom festen in
den flüssigen Zustand erfolgt vorteilhafterweise in Form von
elektrischem Strom; als Füllstoff werden Stoffe mit einem
Schmelzbereich von 40 bis 80°C bevorzugt, wie z. B.
Hexadekanol, Wachs oder niedrig schmelzende Metalle;
insbesondere im letzteren Fall kann eine Verringerung der
Dichte des Strukturelementes dadurch erzielt werden, daß vor
dem Befüllen des verbleibenden Hohlraums zwischen den beiden
Decklagen mit dem niedrig schmelzenden Metall Kugeln aus
Kunststoff eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße neuartige Strukturelement basiert auf
einem äußerst einfach umzusetzenden Konzept und ermöglicht es
beim Übergang des Füllstoffes von einem in den anderen
Aggregatzustand die Steifigkeit der Struktur um ein
Vielfaches zu ändern.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
dargestellt ist.
In der einzigen Figur ist das erfindungsgemäße
Strukturelement in Sandwich-Form im Schnitt dargestellt und
besteht aus zwei im Abstand voneinander und parallel
zueinander angeordneten Decklagen 1, 2, zwischen denen eine
Vielzahl von im wesentlichen sich senkrecht zur Ebene der
beiden Decklagen erstreckende Kernfasern 4 angeordnet sind.
Mit 3 ist ein die beiden Decklagen 1, 2 verbindender
umlaufender Rand bezeichnet, der den verbleibenden Hohlraum
zwischen den Kernfasern 4 und den beiden Decklagen nach außen
abschließt.
Die Kernfasern 4 können z. B. mit einem Epoxydharz imprägniert
sein, um so ihre Steifigkeit zu erhöhen. Insgesamt füllen sie
nur einen sehr geringen Anteil des Hohlraums aus, der durch
die beiden Decklagen 1, 2 und den umlaufenden Rand 3 begrenzt
wird.
Erfindungsgemäß ist nun dieser Hohlraum mit einem Stoff
gefüllt, der in der Zeichnung mit 6 angedeutet ist und der
durch Energiezufuhr reversibel vom festen in den flüssigen
Zustand überführbar ist. Vorteilhafterweise wählt man einen
Stoff, dessen Schmelzpunkt im Bereich von 40 bis 80°C liegt,
so daß dieser nach entsprechender Erwärmung in den Hohlraum
eingegossen werden kann und danach durch Abkühlung auf
Raumtemperatur erstarrt. Führt man nun dem Strukturelement
Energie zu, beispielsweise durch Erwärmung oder auch durch
einen elektrischen Strom, so wird die Steifigkeit des
Strukturelements, verglichen mit dem Stoff 6 im festen
Aggregatzustand, um ein Vielfaches verringert, sofern der
Stoff in den flüssigen Zustand übergeht.
Als Material für die Decklagen 1, 2 und die Kernfasern 4
eignen sich entweder Glaswolle, wobei diese zum Erhalt der
Decklagen 1, 2 verwebt wird, die um die Energie in Form von
elektrischem Strom zuführen zu können, elektrisch leitend
gemacht werden. Dies kann entweder durch eine dünne
Beschichtung erfolgen oder aber indem elektrisch leitende
Partikel der Schmelze zum Erhalt der Glaswolle zugeführt
wird. Dasselbe gilt auch für die Kernfasern 4.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen
sowohl die Decklagen 1, 2 als auch die Kernfasern 4 aus
Kohlefasern, die bereits elektrisch leitend sind.
Als Stoff 6 zum Befüllen des Hohlraums zwischen den Decklagen
1, 2 und dem umlaufenden Rand (der auch einen kleineren
Bereich zwischen den beiden Decklagen begrenzen kann) eignen
sich Wachs, Hexadekanol oder niedrig schmelzende
Metallegierungen. Im letzteren Fall kann zur Verringerung der
Dichte des Strukturelementes eine Vielzahl von Kugeln 5 vor
dem Einfüllen des niedrig schmelzenden Metalls in den
Hohlraum eingesetzt werden, wobei diese Kugeln 5
vorteilhafterweise aus Kunststoff bestehen und entweder
Massivkugeln oder Hohlkugeln sind. Je nach der Anzahl der
vorab eingefüllten Kugeln 5 läßt sich die Dichte des
Strukturelementes vorgegebener Abmessungen einstellen.
Es sei betont, daß mit dem erfindungsgemäßen Aufbau
Strukturelemente in Sandwich-Form beliebiger Größe geschaffen
werden können und daß bei entsprechender Kontaktierung bzw.
Belegung der beiden Decklagen mit elektrisch leitenden
Materialien eine schnelle gleichmäßige Aufheizung des Stoffes
6 zwischen den beiden Decklagen erfolgt, so daß bei
Aufheizung des Stoffes 6 über dessen Schmelzpunkt die
Struktursteifigkeit erheblich absinkt; dieser Vorgang ist
reversibel, da beim Abschalten des Stromes der Stoff 6 und
damit das Strukturelement wieder abkühlen und der Stoff 6
erstarrt.
Claims (9)
1. Strukturelement in Sandwich-Form, bestehend aus zwei im
Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten
Decklagen, zwischen denen eine Vielzahl von sich im
wesentlichen senkrecht zur Ebene der beiden Decklagen
erstreckende Kernfasern angeordnet sind und aus einem die
beiden Decklagen verbindenden umlaufenden Rand, dadurch
gekennzeichnet, daß der verbleibende Hohlraum zwischen
den beiden Decklagen mit einem Stoff gefüllt ist, der
durch Energiezufuhr reversibel vom festen in den
flüssigen Zustand überführbar ist.
2. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Decklagen und die sie verbindenden Fasern
aus elektrisch leitender Glaswolle bestehen.
3. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Decklagen und die sie verbindenden Fasern
aus Kohlefasern bestehen.
4. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die zugeführte Energie elektrischer
Strom ist.
5. Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff einen
Schmelzbereich von 40 bis 80°C aufweist.
6. Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Füllstoff Hexadekanol ist.
7. Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Füllstoff Wachs ist.
8. Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Füllstoff ein niedrig schmelzendes Metall ist.
9. Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum zwischen den
Decklagen Kugeln angeordnet sind.
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