DE4429989A1 - Leichtbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauelement, insbesondere für die Herstellung von Formteilen.

Formteile, wie sie in großen Mengen beispielsweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden, bestehen in erster Linie aus Blechen, die je nach den bestehenden Anforderungen an die Festigkeit in ihrer Dicke dimensioniert sind. Vom Materialeinsatz her und auch fertigungstechnisch sind Bleche für die Herstellung von Formteilen, insbesondere bei der Massenherstellung, wirtschaftlich. Die Hauptnachteile bei dem Einsatz von Blechen bestehen darin, daß die Bleche aufgrund der Anforderungen an die Festigkeit vergleichsweise stark, das heißt dick dimensioniert sein müssen, daher schwer sind und vor allem unter Schwingungsbelastungen dröhnen. Darüber hinaus ermöglichen Bleche keine beliebig schwierigen Verformbarkeitsgrade, so daß häufig aufwendige Verbindungskonstruktionen, beispielsweise durch Schweißen, erforderlich sind. Schließlich können Bleche keine Zusatzfunktionen übernehmen. So müssen aufwendige Zusatzmaterialien eingesetzt werden, beispielsweise für die akustische und/oder thermische Dämmung. Je nach den Anforderungen an die Festigkeit oder die Dämmeigenschaften können auch doppelwandige Ausführungen erforderlich sein, wodurch der Raum bedarf und das Gewicht erhöht und die Dröhnungsneigung verstärkt werden.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Leichtbauelemente bekannt. So sind beispielsweise Wabenkonstruktionen bekannt, wobei zwischen zwei Tragschichten eine zu den Tragschichtebenen im wesentlichen senkrecht ausgerichtete Wabenstruktur angeordnet ist. Die Waben werden in bekannter Weise in sechseckiger Ausführung, beispielsweise durch die Verbindung entsprechend gebogener Materialstreifen aufgebaut und bilden zur Tragschicht- Weise in sechseckiger Ausführung, beispielsweise durch die Verbindung entsprechend gebogener Materialstreifen aufgebaut und bilden zur Tragschichtebene senkrecht stehende Röhrensegmente. Dadurch werden die Leichtbauelemente sehr druckfest, lassen sich jedoch nicht beliebig verformen. Insbesondere sind schwierige Verformungen ausgeschlossen, es sei denn, man nimmt eine Beschädigung der durch die Waben gebildeten Tragstruktur und damit eine Einbuße hinsichtlich der Festigkeit in Kauf. Außerdem sind Wabenkonstruktionen noch vergleichsweise schwer und vor allem dick. Eine Integration von Zusatzfunktionen, beispielsweise akustischen Dämmungseigenschaften, ist mit geringem Aufwand nicht möglich.

Weiterhin bekannt sind Mehrschicht-Bauelemente, bei denen zwischen Tragschichten wenigstens eine wellblechartige Schicht angeordnet ist. Diese Schicht wird durch eine biegesteife Folie hergestellt, welche mit einer in einer Richtung verlaufenden und über die gesamte Breite ausgebildeten Welle versehen ist. Das entstehende Verbundbauteil entspricht im Querschnitt dem Aufbau einer Wellpappe und hat auch in etwa die gleichen Eigenschaften. So ist das vorbekannte Verbundbauteil nicht sehr druckfest und vor allem nicht in allen Richtungen verformbar. Durch die Wellenorientierung ist die Verformbarkeit entlang quer zu den Wellen liegenden Richtungen ohne Beschädigung ausgeschlossen. Auch die Verformbarkeit um eine in Richtung einer Welle liegenden Kante läßt zu Wünschen übrig, da der Aufbau zum Knicken neigt oder der Strukturverbund verändert wird, indem sich die Schichten voneinander ablösen.

Bei den vorbekannten Leichtbauelementen lassen insbesondere die Verformbarkeit, vor allem bei schwierigen Verformungsforderungen, und die Integrierbarkeit weiterer Funktionen, wie beispielsweise eine akustische oder thermische Dämmung, zu Wünschen übrig. Die vorbekannten Leichtbauelemente sind auch nicht ohne Beschädigung in herkömmlichen Verfahren, beispielsweise einem Tiefziehvorgang, umformbar. Damit kommen die vorbekannten Leichtbauelemente nicht als Ersatzwerkstoff für Bleche zur Herstellung von Blechformteilen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, in Betracht.

Um anstelle von dicken, schweren und zum Dröhnen neigenden Blechen zur Herstellung von Formbauteilen ein Leichtbauelement bereitzustellen, welches bei im wesentlichen den gleichen Festigkeitseigenschaften einen hohen Grad an Verformbarkeit ermöglicht, wurde auch ein Leichtbauelement vorgeschlagen, welches aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, besteht, die übereinanderliegend angeordnet wenigstens punktweise miteinander befestigt sind, wobei wenigstens eine der Schichten eine dreidimensionale Struktur ausweist, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene im einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen ist. Dabei ergab sich zwischen der mit der dreidimensionalen Struktur versehenen Schicht und den benachbarten Schichten eine im wesentlichen punktförmige Berührung, welche im wesentlichen nur von der der benachbarten Schicht zugewandten Oberfläche der einzelnen Strukturelemente abhängig ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Leichtbauelement dahingehend zu verbessern, daß es ohne Einbußen an Festigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Blechbauteilen auch bei schwierigen Verformungsanforderungen spanlos verformbar ist und weiterhin die Integration von insbesondere Dämmfunktionen ermöglicht, wobei es flexibler an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich der Steifigkeit, der Schwingungsfestigkeit und dergleichen anpaßbar ist.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird ein Leichtbauelement bereitgestellt, welches aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff gebildet ist, die übereinander liegend angeordnet wenigstens punktweise aneinander befestigt sind, wobei wenigstens zwei benachbarte Schichten jeweils eine dreidimensionale Struktur aufweisen, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene in einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen und derart ausgebildet sind, daß sich die benachbarten Schichten in einem vorgegebenem Muster berühren.

Durch die durchbrochene Struktur in den beiden Schichten, die vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen gebildet sind, ist das erfindungsgemäße Leichtbauelement einfach in jeder in einem Winkel zur Plattenebene liegenden Richtung verformbar. Durch die durchbrochene Struktur wird keine Biegekanten-Lagerichtung vorgeschrieben, so daß auch schwierige Verformungen einfach möglich sind. Die Schichten sind vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen, können jedoch auch aus anderen Werkstoffen gebildet sein, sofern die Festigkeits- und/oder Funktionsanforderungen erfüllt werden. Die Integration insbesondere von Dämmfunktionen ist besonders einfach, da eine der wenigstens zwei Schichten mit entsprechenden, die gewünschte Funktion erfüllenden Eigenschaften versehen sein kann. So kann eine Schicht als Deckschicht, als Tragschicht, als akustische Dämmschicht durch die Anordnung von Löchern und dergleichen ausgebildet sein. Die andere Schicht kann aufgrund ihrer Struktur dementsprechend angepaßt werden. Die Ausbildung der beim Schichtaufbau sich berührenden und benachbart zueinander angeordneten Schichten kann auf die gewünschte Funktionalität abgestimmt werden. So können die Strukturen derart ausgebildet werden, daß sich übereinander liegenden Schichten nur im Bereich der Spitzen der in ihnen ausgebildeten Strukturen berühren. In Abhängigkeit von der Verbindungsart ergibt sich damit ein entsprechendes Verformungsverhalten, eine definierte Biegesteifigkeit und ein bestimmtes dynamisches Verhalten. Im anderen Extrem ist es möglich, die Strukturen derart auszubilden, daß die übereinander liegenden Schichten praktisch ineinandersetzbar sind. Wird auf beiden Schichten eine Noppenstruktur ausgebildet, wobei jedoch die Noppenstruktur in der einen Schicht zu der Noppenstruktur in der anderen Schicht identisch ist, so sind die Noppen der einen Schicht in die Senken der anderen Schicht einsetzbar. Es ergibt sich ein mit Noppen versehener Doppelschichtaufbau, wobei sich die Schichten fast über ihre gesamte Fläche berühren. Weiterhin ist es möglich, die beiden Strukturen so anzuordnen, daß sich die Strukturen mit Seitenbereichen berühren, so daß sie aneinander bei entsprechender dynamischer Belastung abrutschen können. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, die Strukturen derart auszubilden, daß sie sich ineinander verkrallen können, wodurch der Schichtenverbund erheblich verbessert wird.

Mit Vorteil wird angegeben, daß die Struktur in jeder der Richtungen gleichmäßig durchbrochen ist, wodurch die Verformbarkeit begünstigt wird. In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine der Schichten ein Blech. Aufgrund der Sandwich-Anordnung von wenigstens zwei Schichten kann diese Blech gegenüber einem Blech, welches normalerweise für die Herstellung des jeweiligen Bauteils verwendet wird, dünnwandig ausgelegt werden, da durch die zweite Schicht die Festigkeitseigenschaften verbessert werden können. In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine der Schichten eine Folie.

Als Bleche oder Folien kommen neben glatten Flächen, die Deckschichten bilden können und je nach Einsatzzweck auch optisch gestaltet werden können, gemäß einem Vorschlag der Erfindung Stegbleche in Betracht. Stegbleche bestehen aus schmalen Streifen, die im Querschnitt einen im wesentlichen eckigen, wellenförmigen Verlauf haben. Solche Streifen werden zueinander versetzt in Längsrichtung miteinander verbunden. Die Stegbleche werden durch die versetzte Anordnung der Stege zueinander damit auch in quer zum Stegverlauf liegenden Richtungen verformbar. Stegbleche eignen sich besonders dafür, Leichtbauelemente mit großen Dicken herzustellen, da die Steghöhe variabel ist. Darüber hinaus wird durch die Stegoberfläche eine gute Angriffsfläche für die Herstellung der Verbindung mit einer anderen Schicht bereitgestellt.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist wenigstens eine der Schichten ein Noppenschlitzblech. Noppenschlitzbleche weisen Erhebungen auf, zwischen denen Schlitze angeordnet sind. Noppenschlitzbleche verbessern die Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Leichtbauelementes in nahezu allen Richtungen und eisen eine vergleichsweise geringe Dicke auf.

Mit Vorteil wird vorgeschlagen, daß wenigstens eine der Schichten eine Noppenstruktur aufweist. Durch die Noppen werden in einer im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene liegenden Richtung ausgerichtete kuppelartige Gewölbe gebildet, welche die Druckfestigkeit der Schicht erheblich erhöhen. Darüber hinaus wird durch die Noppenstruktur die Verformbarkeit in nahezu allen Richtungen begünstigt und an den Noppenoberflächen gute Angriffsflächen für die Herstellung von Verbindungen zur benachbarten Schicht bereitgestellt.

In vorteilhafter Weise wird vorgeschlagen, daß die Schichten aus Aluminium oder einer Aluminium-Knetlegierung gebildet sind.

In vorteilhafter Weise werden die Schichten miteinander durch Löten verbunden. Gemäß einem mit Vorteil vorgeschlagenen anderen Vorgehen werden die Schichten durch Schweißen verbunden. Mit besonderem Vorteil wird vorgeschlagen, daß die Schichten miteinander durch Kleben verbunden sind.

In vorteilhafter Weise sind die beiden strukturierten Flächen durch Punktschweißen miteinander verbunden. Alternativ können die Schichten auch durch Preßverschweißen miteinander verbunden sein. Das Preßverschweißen läßt sich beispielsweise während des Schmiedevorgangs durchführen.

In vorteilhafter Weise ist zunächst jede der beiden Schichten für sich mit einer Struktur versehen. Die Schichten sind dann übereinander angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, die Struktur auf die übereinander liegenden Schichten aufzubringen.

Je nach gewünschtem Funktionsbereich wird das jeweilige Verfahren eingesetzt.

Mit Vorteil wird vorgeschlagen, daß die beiden Schichten mit einem abgeflachten Rand versehen sind. Derartige abgeflachte Ränder können mit Befestigungslöchern versehen werden und dienen der vereinfachten Befestigung des aus dem erfindungsgemäßen Leichtbauelement hergestellten Formteils. In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine der beiden Schichten mit einem Falzrand versehen. Dieser Falzrand kann so ausgebildet sein, daß durch den Rand der einen Schicht auch die Seitenkante der anderen Schicht umgriffen wird.

Das erfindungsgemäße Leichtbauelement zeichnet sich durch einfache und automatisierbare Herstellbarkeit und sehr gute Festigkeitseigenschaften aus. Durch die zwischen den Schichten gebildeten Hohlräume weist das erfindungsgemäße Leichtbauelement ein sehr niedriges spezifisches Gewicht auf. Die Hohlräume wirken weiterhin der Neigung zum Dröhnen entgegen, so daß das erfindungsgemäße Leichtbauelement gegenüber herkömmlichen Blechformteilen nicht zum Dröhnen unter Schwingungsbelastungen neigt. Das erfindungsgemäße Leichtbauelement ist in nahezu jeder in einem Winkel zur Plattenebene liegenden Richtung gut verformbar, so daß auch schwierige Verformungsanforderungen einfach und auch automatisch realisierbar sind. Das erfindungsgemäße Leichtbauelement kann im Tiefziehverfahren verformt werden und ist grundsätzlich gut spanlos umformbar. Es eignet sich gut als Alternativwerkstoff für herkömmlicherweise aus Blechen hergestellten Formbauteilen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau. Schließlich können weitere Funktionen, vorzugsweise Dämmfunktionen zur akustischen und/oder thermischen Dämmung integriert werden. Dadurch kann auf Zusatzwerkstoffe verzichtet und Gewicht und Raum eingespart werden. Das erfindungsgemäße Leichtbauelement ist damit äußerst wirtschaftlich herstell- und einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Leichtbauelement hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, daß die aufeinander abstimmbaren Strukturen zur Erfüllung der unterschiedlichsten Funktionserfordernisse eingesetzt werden können. Durch eine weitestgehende Verkrallung der Strukturen lassen sich aus dem erfindungsgemäßen Leichtbauelement sehr steife Formteile herstellen. Durch die Festlegung entsprechender Berührungsmuster kann auch bestimmt werden, daß die Strukturen bei dynamischer Belastung der aus dem erfin­ dungsgemäßen Leichtbauelement hergestellten Formbauteile aufeinander reiben, wodurch Energie verzehrt wird. Die Schwingungsfestigkeit läßt sich insgesamt erhöhen. Auch können akustische oder thermische Abschirmungen leicht und einfach gebildet werden. Gegenüber massiven oder dickwandigen Teilen aus Stahl, Aluminium oder dergleichen lassen sich nunmehr Form­ bauteile einfach und in Leichtbauweise herstellen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform für ein Leichtbauelement;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines aus einem Leichtbauelement hergestellten Formbauteils;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines aus einem Leichtbauelement hergestellten alternativen Formbauteils; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht durch zwei übereinanderliegende, strukturierte Schichten.

Rein schematisch ist in Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Leichtbauelementes 3 gezeigt, welches aus zwei Schichtelemente, nämlich einem ersten strukturierten Schichtelement 1 und einem zweiten strukturierten Schichtelement 2 gebildet ist. Die Schichtelemente können in unbeschränkter Weise kombiniert sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Strukturen in den übereinander liegenden Schichten derart ausgebildet, daß sie sich punktweise im Bereich der Spitzen der vorstehenden Noppen berühren. Werden diese Schichten nun beispielsweise entlang einer gedachten Linie punktweise miteinander verbunden, so können sich die Schichten in dazu querliegenden Richtungen relativ zueinander bewegen. Durch diese Bewegungsmöglichkeiten ergeben sich auch Energieaufnahmemöglichkeiten, so daß dynamische Belastungen von dem entsprechenden Leichtbauelement aufgenommen werden können. Das gezeigte Leichtbauelement weist hohe Schwingungsfestigkeit und Steifigkeit auf. Werden die Strukturen relativ zueinander leicht verschoben ausgebildet, so können sie sich entweder vollends ineinander verkrallen oder flächig berühren, je nach gewünschtem Funktionszweck.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Formbauteil, welches der Einfachheit halber nur als aus zwei mit Strukturen versehenen Schichten aufgebautes Bauteil gezeigt ist, sind die Strukturen in beiden Schichten gleichförmig, so daß sie ineinander einsetzbar sind. Die verbleibenden Spielräume dienen der Erhöhung der Schwingungsfestigkeit durch den oben beschriebenen Reibungseffekt. Das Bauteil weist eine große Steifigkeit auf und verfügt über einen abgeflachten Befestigungsrand 5. In dem Befestigungsrand 5 sind Befestigungslöcher ausgebildet.

Das in Fig. 3 gezeigte Formbauteil weist eine erhebliche Steifigkeit auf. Die Schichten sind mit sich vollständig ineinander verkrallbaren Strukturen versehen. Auch hier sind Befestigungsränder 5 ausgebildet.

Eine Besonderheit der Herstellung ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Schichten mit einem Falzrand versehen sind. Der Falzrand erhöht die Steifigkeit und wirkt der Rißbildung entgegen. Der Falzrand 6 kann im Bereich von Befestigungsrändern, oder wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, im Bereich strukturierter Ränder angeordnet sein.

Die übereinander liegenden Schichten können punktweise, beispielsweise durch Punktschweißen, oder auch flächig durch Preßverschweißen miteinander verbunden sein. Je nach Ausbildung der beiden Strukturen und Art der Verbindung zwischen den Schichten ergeben sich die jeweils vorherbestimmbaren Funktionseigenschaften. Selbstverständlich können die Schichten im Verbund mit weiteren Schichten angeordnet werden. So können glatte Abdeckschichten, weitere strukturierte Schichten oder Zwischenlagen angeordnet werden.

Als Zwischenlagen kommen darüber hinaus alle Arten von Gestricken, Gewirken, auch Filze und Wollmatten, beispielsweise auch aus Aluminium, in Frage. Auch können die jeweiligen Eigenschaften durch Modifikationen der einzelnen Schichten beeinflußt werden. Beispielsweise können die seitlichen Flanken der Noppen eines Noppenbleches mit Löchern versehen sein. Derartige gelochte Noppenbleche weisen sehr gute akustische Dämmeigen­ schaften auf, beispielsweise in Kombination mit einem abdeckenden Lochblech.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind hinsichtlich der Erfindung nicht beschränkend nur zur Erläuterung aufgeführt.

Bezugszeichenliste

1 strukturiertes Schichtelement
2 strukturiertes Schichtelement
3 Leichtbauelement
4 Formteil
5 Befestigungsrand
6 Falzrand.

Claims (19)

1. Leichtbauelement, bestehend aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, die übereinander liegend angeordnet wenigstens punktweise miteinander verbunden sind, wobei wenigstens zwei benachbarte Schichten jeweils eine dreidimensionale Struktur aufweisen, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene in einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen und derart ausgebildet sind, daß sich die benachbarten Schichten in einem vorgegebenem Muster berühren.

2. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur in jeder der Richtungen gleichmäßig durchbrochen ist.

3. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schichten ein Blech ist.

4. Leichtbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech ein Stegblech ist.

5. Leichtbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech ein Noppenschlitzblech ist.

6. Leichtbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech ein Noppenblech ist.

7. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech wenigstens partiell gelocht ist.

8. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schichten eine Folie ist.

9. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schichten aus Aluminium gebildet ist.

10. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten miteinander durch Löten verbunden sind.

11. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Schweißen miteinander verbunden sind.

12. Leichtbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.

13. Leichtbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Preßverschweißen miteinander verbunden sind.

14. Leichtbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten beim Schmiedevorgang preßverschweißt sind.

15. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Kleben miteinander verbunden sind.

16. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten jede für sich mit einer Struktur versehen und dann übereinander angeordnet sind.

17. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur auf die Schichten gemeinsam aufgebracht ist.

18. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten mit einem abgeflachten Rand versehen sind.

19. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein der beiden Schichten mit einem Falzrand versehen ist.