EP1678390A1 - Bauelement mit auxetischer struktur - Google Patents

Bauelement mit auxetischer struktur

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Publication number
EP1678390A1
EP1678390A1 EP04739277A EP04739277A EP1678390A1 EP 1678390 A1 EP1678390 A1 EP 1678390A1 EP 04739277 A EP04739277 A EP 04739277A EP 04739277 A EP04739277 A EP 04739277A EP 1678390 A1 EP1678390 A1 EP 1678390A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
auxetic
component
cell
hollow profile
component according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04739277A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Obrecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OBRECHT, HANS
Original Assignee
Obrecht Hans
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Obrecht Hans filed Critical Obrecht Hans
Publication of EP1678390A1 publication Critical patent/EP1678390A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
    • E04C2/30—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure
    • E04C2/34—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure composed of two or more spaced sheet-like parts
    • E04C2/36—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by the shape or structure composed of two or more spaced sheet-like parts spaced apart by transversely-placed strip material, e.g. honeycomb panels
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting

Definitions

  • the invention relates generally to components and / or support structures and the possibility of designing such components or support structures, in particular in order to achieve reinforcement / stiffening.
  • the term component is understood to mean an element with any possible shape, for example rod-shaped support elements, e.g. straight or curved beams with common cross sections, e.g. Double-T beams or rods and tubes with any cross-section as well as flat components, such as plates, especially sheets, and shells.
  • These components can be made from any materials, depending on requirements, in particular from metals, plastics or composite materials. Any size of the components is also possible, e.g. from the micrometer range to the range of several hundred meters.
  • auxetic materials which show exactly the opposite behavior, ie which, when a tensile stress is applied, stretch in the direction of the tensile strain and thicken perpendicularly thereto. Such materials are characterized by a negative Poisson number and are referred to as so-called auxetic materials.
  • a construction panel in sandwich construction is known as a component, in which a core is embedded in a honeycomb structure between two load-bearing cover layers by means of a resin.
  • this honeycomb structure it is mentioned in the document that it can also be an auxetic honeycomb structure.
  • the production of such construction panels in sandwich construction is complex and has potential weak points, in particular when bonding the individual layers. the layers may be delaminated when subjected to a load.
  • sandwich elements can only be formed to a very limited extent and curved shapes / shell elements can only be produced with difficulty.
  • the object of the invention is to provide components of a general type in which a further improvement in the mechanical strength, load-bearing and vibration properties can be achieved in a simple manner, in particular with reduced weight.
  • At least one surface of a component has or comprises an auxetic lattice structure, in particular this auxetic lattice structure having the above-mentioned mechanical properties of a negative Poisson number at least in two dimensions, preferably at least parallel to the surface.
  • the auxetic lattice structure can be open at least on one side, i.e. form open cells.
  • the cells are referred to as open, even if they are optically closed by a cover layer or decorative layer, but this cover or decorative layer does not, or at most only insignificantly, contribute to a load transfer effect.
  • An auxetic lattice structure which is arranged at least on / on / in a surface or within the component, improves the mechanical properties, in particular the load-bearing capacity, rigidity and the vibration properties of such a component, since the auxetic properties of the lattice structure on the component counteracts the typical deformation behavior that otherwise occurs under stress through internal stiffening.
  • An existing component with a certain weight can thus be improved in its load transfer capabilities or a component with a lower weight can be used with the same load transfer capabilities.
  • At least a part, preferably the entire surface of a component has the auxetic lattice structure mentioned.
  • the auxetic lattice structure mentioned.
  • inner surfaces such as hollow profiles, cellular structures, tubes, etc., which have inner and outer surfaces. It is also possible to provide only partial areas of a surface with an auxetic lattice structure.
  • the auxetic lattice structure can also extend into the deeper areas of the component near the surface; if necessary, the component can be completely covered by an auxetic lattice, i.e. a periodic series of cells with auxetic behavior can be built up.
  • the lattice structure can be open or closed.
  • the auxetic lattice structure is formed from the material of the component and in particular is integrally connected to the component.
  • the auxetic lattice structure can be introduced / applied to / on a surface of the component by material processing.
  • the material processing can be carried out, for example, by material removal (cutting, non-cutting), material application, punching, welding, laser cutting, rolling, embossing, spraying, casting, gluing or any other type known to the person skilled in the art.
  • Auxetic lattice structures can also be attached to a component using conventional methods of fastening technology.
  • auxetic lattice structure can essentially be formed by webs which are connected to one another and thus form a multiplicity of cells, the webs of a smallest cell, for example, having a bulge pointing at least in a partial area into the cell interior. This cell shape can also be described as at least partially concave.
  • An auxetic effect of a cell can also be achieved by other cell forms.
  • the webs enclose cavities, each of the cavities forming an interior of the cell.
  • the cavities of the auxetic cells are only created near the surface, for example by subsequent material processing (indentations), or that the component already has a large number of cavities by means of an original manufacturing process (for example casting), which, due to its cell wall design, has an auxetic behavior demonstrate.
  • Thin-walled, for example flat or curved structures can also be formed as components according to the invention from the surface-like components (for example sheet metal) mentioned, for example cylinders etc. by an arbitrarily shaped configuration of a component.
  • Such thin-walled components are preferably formed in such a way that in one dimension (for example width, length, radius, etc.) they are at least 40 times larger than the material is thick.
  • the components mentioned can have the auxetic surface structures, for example when the auxetic structure is applied to the surface, this structure preferably has an approximately 1 to 10 times the thickness in comparison with the material thickness of the component.
  • the auxetic structure then forms so-called stiffeners on the surface. When the auxetic structure is introduced into the surface, this structure can have any depth until, in the limit case, a depth is reached which corresponds to the material thickness, which results in the above-mentioned open lattice cell structure.
  • auxetic cells that are also suitable as components of layer composites in which several of these flat components are placed one above the other and connected to one another, for example by welding, gluing or other techniques.
  • Layers of conventional materials can be arranged between the components according to the invention. You can also choose materials that show auxetic behavior themselves.
  • a connection between two lattice structures in a layer composite can also be made by means of webs. These webs can also be arranged in such a way that auxetic cells are in turn formed by the webs, so that an auxetic effect can be achieved both in the plane of the lattice structures and perpendicularly to them.
  • the individual flat components can preferably be connected to one another offset from one another.
  • the different layers e.g. the outer cover plates, made of components according to the invention.
  • the webs applied to a surface or introduced into a surface can in turn have any cross-sections and can be solid or also be hollow.
  • a web itself can, for example, also be open or closed with thin walls.
  • the webs that form the walls of an auxetic cell can, in a simple embodiment, be oriented perpendicular to the surface. In this case there is essentially an auxetic property of the cell lattice structure two-dimensionally parallel to the surface.
  • the webs in such a way that the walls are arranged inclined to the surface, deviating from the vertical orientation. This makes it possible to stack a plurality of cell layers one above the other, so that layers of auxetic cells also form perpendicular to the surface, as a result of which a three-dimensional effect of the auxetic cell lattice structure can be achieved.
  • the cell walls of the auxetic lattice cell structure are designed to be rigid and are rigidly connected to the nodes that connect the cell walls.
  • auxetic cell lattice structure from flexible cell walls which are rigidly connected at the nodes, so that this opens up further possible uses, such as, for example, flexible membrane constructions.
  • the auxetic structure can be formed, for example, from flexible tapes (e.g. steel cables, steel and / or plastic tapes) which are enclosed or applied to one or more layers of material.
  • a flexible auxetic network structure can be enclosed between two material webs made of any material (for example also textiles, cloths), the two opposite material webs being connected to one another by the open cells of the auxetic grid or network structure, for example by Gluing, welding, sewing, riveting or other measures familiar to the expert. It can be provided here that the auxetic lattice or network structure lies loosely between the material webs or is also connected to the material web in the above sense on at least one side.
  • auxetic structures can also be realized in a preferred embodiment in the form of an auxetic lattice extending in all three dimensions on / on / in a surface of a component.
  • an auxetic foam with auxetic foam cells can be used.
  • Such a three-dimensional grid can be provided on / on / in the inner and outer surfaces of a component.
  • a particularly preferred embodiment results from hollow profile-like components, e.g. Hollow cylinders, pipes etc. with basically any cross-sectional shape, such as round or angular.
  • Such hollow profiles usually have a material that forms the exterior of the profile and encloses a cavity.
  • Such hollow profiles can be reinforced according to the invention with auxetic structures or can be carried out more easily with the same load transfer properties according to the invention.
  • an auxetic structure can be arranged, e.g. an auxetic foam.
  • the expansion of the auxetic structure from the inner surface of the hollow profile inwards or from the outer surface to the outside can be preferably in the range from 1% to 15%, particularly preferably from 5% to 10% of the radial expansion of the hollow profile without the auxetic structure according to the invention ,
  • the surface of the hollow profile itself can already have an auxetic structure which is arranged in / on / on the surface, in which case even then an improvement in load transfer is achieved by a structure with conventional cells or preferably also with auxetic cells, which is arranged on the inner or outer surface.
  • This structure can also have the aforementioned dimensions.
  • Figure 1 Comparison of a conventional honeycomb structure with an auxetic lattice structure
  • Figure 2 a single representative auxetic cell with vertical
  • FIG. 3 a single representative auxetic cell with cell walls inclined into the cell interior
  • FIG. 4 auxetic structures in section through one- or two-sided application of material to a surface
  • Figure 5a auxetic structures in section through one / two-sided impressions in a surface, e.g. a sheet;
  • FIG. 5b two-sided auxetic structures by joining two single-sided impressions in one surface each;
  • FIG. 6 embedded components according to the invention with auxetic
  • Figure 7 an at least partially auxetically trained or stiffened
  • FIG. 8 an at least partially auxetically designed or stiffened component with flat surfaces
  • FIG. 9 an auxetic network lying between two material webs
  • FIG. 10 a hollow profile with an auxetic structure arranged inside
  • FIG. 11 a hollow profile with an auxetic structure arranged on the outside;
  • FIG. 12 a hollow profile with an auxetic structure arranged inside and outside;
  • FIG. 13 a hollow profile with an auxetic surface with a normal or auxetic structure arranged on the inside;
  • FIG. 14 a hollow profile with an auxetic surface with a normal or auxetic structure arranged on the outside;
  • FIG. 15 a hollow profile with an auxetic surface with a normal or auxetic structure arranged inside and outside;
  • FIG. 1 shows a typical honeycomb grid structure (honeycomb) which, according to conventional materials, has a behavior with a positive Poisson number, i.e. when a tensile force is applied to the honeycomb structure, it will stretch in the direction of the tensile force and taper perpendicular to the tensile force, as is indicated in the right part of FIG. 1 a).
  • each cell 1 has a wall area or web area 2 which is bulged into the interior of the cell and makes a significant contribution to the auxetic behavior of the overall arrangement. From the outside, such a cell has at least partially a concave cell wall.
  • On the right side in part b) of FIG. 1 it is shown how the auxetic cell structure increases when a tensile force is applied, both in the direction of the tensile force and perpendicular to the tensile force and accordingly has the auxetic behavior with a negative Poisson number.
  • auxetic lattice structure as shown by way of example in FIG. 1, is still diverse another way is realizable (other cell shapes) to be arranged at least on / in a surface of a component.
  • the special mechanical behavior of the auxetic lattice structure allows, according to the invention, to reinforce and improve the mechanical strength properties, in particular the properties for load transfer and / or the vibration behavior of a component.
  • These can be any components, such as supports, rods, tubes, plates and shells, etc., each with any cross-sectional shapes and materials, an auxetic lattice structure being introduced into or attached to at least one surface of the component, optionally the volume of a component.
  • FIG. 2 representatively shows a single cell from the periodic cell structure shown in FIG. 1.
  • the shape shown is just one of many ways to form an auxetic cell.
  • This cell shown here is used in the following figures as a representative for all possible cell shapes.
  • the cell according to FIG. 2 has lateral wall areas 2, which in the present case are oriented perpendicular to a surface, not shown. This results in an auxetic behavior of a periodic structure built up from this cell in two dimensions parallel to the surface.
  • the ratios of length to width a / b or height to width h / b can be arbitrary, preferably h / b ⁇ a / b.
  • the cells or the entire cell structure can be produced from any material, in particular from the material of the surface on or in which the structure is to be applied.
  • the material will preferably be metal, plastic, composite materials or any combination thereof.
  • Each of the cell wall areas 2 is preferably designed to be rigid, so that possible loads on the cell structure without deformation of the wall areas 2 into the whole Cell structure are initiated and the cell structure extends by means of a movement of the wall areas 2 against each other over the connection node 3.
  • each web formed by the wall regions 2 can be as desired.
  • the webs can also be hollow, solid or thin-walled open / closed.
  • region K The concave region of the cell typical of an auxetic structure is given by region K.
  • FIG. 3 shows a view of an auxetic cell with a fundamentally similar structure, but here the cell walls 2 are each inclined in the direction of the cell interior. Relative to the surface on / in which the cells are arranged (here the leaf plane), a cell wall has an angle different from 90 degrees.
  • Such cells can be stacked on top of each other in several planes, preferably adjacent planes being folded over by 180 degrees, so that when several cell planes are placed one on top of the other the top and bottom sides of the cell walls come to lie flush and flush with one another. This also results in a height-increasing auxetic cell structure, so that a three-dimensional effect of this structure can be achieved.
  • FIG. 4 shows a vertical section through a thin-walled component according to the invention.
  • material is applied or applied to the surface O of the component on one side. Due to the sectional view perpendicular to the surface, the typical cell structure cannot be seen here.
  • the cell walls 2 extend perpendicular to the surface O as described in FIG.
  • the cells can have any periodicity b that is variable with respect to one another, also locally or regionally, so that a gradient structure can also result.
  • FIG. 4 below shows cell structures with vertical wall regions 2 attached or applied to the surface O on both sides.
  • the cell structures attached to the upper and lower surface of the component can, as shown here, also be arranged offset with respect to one another.
  • the auxetic cell structures form stiffeners which can be produced by applying material or fastening to surface O, removing material from surface O or similar measures.
  • FIG. 5a shows a further variant of a thin-walled component according to the invention with a thickness D, e.g. a sheet into which the auxetic cell structures were introduced on one or both sides by embossing.
  • the cell structures can be offset from one another from the upper and lower surfaces.
  • the embossments also result in cell wall regions which are arranged at an angle to the surface O that is different from 90 degrees.
  • the embossing cross section that determines the inclination or shape of the wall areas 2 can be any.
  • FIG. 5b shows the possibility of joining two components according to the invention (for example metal sheets), each of which has an impressed auxetic structure on one side, in particular in such a way that the respective impressions face one another and the shaped projections face away from one another.
  • the connection can be made by any type, for example gluing, welding, etc.
  • the respective auxetic structures can be offset from one another and have the same or different periodicities b.
  • FIGS. 6a and 6b show two possibilities in which an auxetic component according to the invention, in particular a flat thin-walled component, is connected to another component according to the invention by an intermediate matrix material M.
  • FIG. 6a describes a sandwich construction and FIG. 6b a laminate construction.
  • the matrix material can be a core structure known in the prior art, which is arranged between two carrier plates T, a carrier plate T having the cell structure according to the invention with auxetic cells on one or two sides.
  • the way in which the structure is applied to the carrier plates can be different, e.g. as described for Figures 4 and 5.
  • components according to the invention are completely surrounded by non-auxetic material M with reference to FIG. 6b.
  • non-auxetic material M there are then, in particular, a plurality of auxetically acting layers at a distance from one another in a composite, each layer being able to be designed differently.
  • the matrix material prefferably be formed by a two-dimensional or three-dimensional auxetic cell structure.
  • Laminated multi-layer composite materials or constructions are e.g. Laminated multi-layer composite materials or constructions, reinforced materials or constructions (e.g. lattice reinforcement for ductile, brittle and cohesive - granular materials, tires, tubes, etc.).
  • FIG. 7 shows an example in which, at least in some areas, the surface of a thin-walled cylinder has an open auxetic structure A or is applied / embossed on the outer surface of a thin-walled cylinder Z.
  • an auxetic lattice structure can be introduced into the surface by embossing, in particular the webs as depressions on one side of the sheet and on the other Form the webs as elevations on the side of the sheet.
  • the webs which form the cell shape with auxetic behavior can be realized by depressions in the material of the component or elevations.
  • FIG. 9 shows a flexible, auxetic network N, which is formed by flexible bands or ropes, the bands or ropes forming the cell walls.
  • Such an auxetic network N can be enclosed on both sides by two material webs, such as, for example, a membrane material MM, or can be attached to it on one side. This can be textiles, foils, composites, etc.
  • the material webs MM can be connected to one another by suitable measures through the open cell structure.
  • the surface of a single material web MM can also be connected to the auxetic network structure N.
  • FIG. 10 shows as a preferred embodiment a hollow profile 5 with a round cross-section, the material of the hollow profile 5 having a normal surface quality without an auxetic effect.
  • the material of the hollow profile 5 having a normal surface quality without an auxetic effect.
  • the thickness of the hollow profile material is negligible compared to the cross section and is, for example, 10 to 100 times less.
  • the round cross section in this and the following figures is to be understood as representative, in principle all cross sections are possible here.
  • the hollow profile itself has a radius R1 and encloses a cavity H, which extends along the profile 5 about the longitudinal axis A.
  • an auxetic structure 6 is arranged on the inner surface, which extends inwards, but preferably does not completely fill the cavity H but only up to the radius R2.
  • This auxetic structure can e.g. be formed by a foam having auxetic cells, the density of the material from which the foam is made can be lower than that of the profile material. This also applies to the versions specified later.
  • FIG. 11 shows, comparable to FIG. 10, an auxetic structure 6 which is arranged on the outer surface of the hollow profile 5.
  • FIG. 12 shows an auxetic structure 6, which is arranged in each case on the inner and the outer surface of the hollow profile 5.
  • the dimensioning can preferably be chosen such that the thickness of the auxetic structure is less than 5% to 15% of the radial cross section of the hollow profile, particularly preferably less than 10%.
  • the same or different materials can be selected on the inside and outside.
  • FIG. 13 shows an embodiment in which the surface of the hollow profile 5 itself has an auxetic effect, with the thickness again being negligible.
  • the auxetic effect can be caused by recesses which are made in the surface of the hollow profile 5.
  • An improvement in load transfer is already achieved here if the structure 6 shows no auxetic effect on the inside.
  • a common foam can be used here, for example.
  • the material 6 is particularly preferably, as in the aforementioned embodiments, also auxetic and preferably with the dimensions mentioned.
  • FIG. 14 shows the equivalent arrangement of a non-auxetic or auxetic structure 6 (e.g. a foam) on the outer auxetic surface of the hollow profile 5 according to FIG. 13 and FIG. 15 shows the arrangement on both sides.
  • a non-auxetic or auxetic structure 6 e.g. a foam
  • FIG. 15 shows the arrangement on both sides.
  • it can be provided with an arrangement on both sides to use the same or different materials on both sides.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, bei dem wenigstens eine Oberfläche des Bauelementes eine auxetische Gitterstruktur aufweist.

Description

Bauelement mit auxetischer Struktur
Die Erfindung betrifft allgemein Bauelemente und/oder Tragstrukturen und die Möglichkeit derartige Bauelemente bzw. Tragstrukturen zu gestalten, insbesondere um eine Verstärkung / Versteifung zu erreichen. Hierbei wird unter dem Begriff eines Bauelementes ein Element mit einer jeglichen möglichen Form verstanden, beispielsweise stabförmige Tragelemente , z.B. gerade oder gekrümmte Träger mit üblichen Querschnitten, wie z.B. Doppei-T-Träger oder Stäbe und Rohre mit beliebigen Querschnitten sowie auch flächige Bauelemente, wie beispielsweise Platten, insbesondere Bleche, und Schalen. Diese Bauelemente können aus beliebigen Materialen, je nach Anforderung hergestellt sein, insbesondere aus Metallen, Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen. Ebenso sind beliebige Größenordnungen der Bauelemente möglich, z.B. vom Mikrometerbereich bis in den Bereich mehrerer hundert Meter.
Übliche Materialien, die für derartige Bauelemente eingesetzt werden, wie z.B. Metalle, Kunststoffe, mineralische Werkstoffe, etc. verhalten sich unter Belastung so, dass beim Einwirken einer Zugkraft sich das Material in Richtung der Kraft streckt und sich senkrecht dazu verjüngt, wohingegen sich beim Ausüben einer Druckkraft das Material in Richtung der Kraft staucht und senkrecht dazu eine Verdickung entsteht. Das negative Verhältnis von Längenänderung zu Dickenänderung wird als Poisson-Verhältnis oder Poisson-Zahl bezeichnet. Das obenbeschriebene normale Verhalten von Materialien wird durch eine positive Poissonzahl charakterisiert, die für die meisten Feststoffe im Bereich von 0,2 bis 0,4 liegt. Es sind Materialien bekannt, die ein genau umgekehrtes Verhalten zeigen, d.h. die bei Anlegen einer Zugspannung sich in Zugrichtung strecken jedoch senkrecht dazu eine Verdickung erfahren. Derartige Materialien werden durch eine negative Poissonzahl charakterisiert und als sogenannte auxetische Materialien bezeichnet.
Ebenso ist es bekannt aus üblichen Materialien mit einer positiven Poissonzahl Zellgitterstrukturen aufzubauen, die ähnlich einer Wabenstruktur sind, wobei jedoch die gesamte Zellgitterstruktur auxetisches Verhalten zeigt, d.h. sich bei Anlegen von Zugspannungen in deren Richtung als auch senkrecht dazu vergrößert.
Aus der EP 0 820 858 ist als ein Bauelement beispielsweise eine Konstruktionsplatte in Sandwichbauweise bekannt, bei der zwischen zwei lastabtragenden Deckschichten mittels eines Harzes ein Kern in Wabenstruktur eingebettet ist. Bezüglich dieser Wabenstruktur ist in dem Dokument erwähnt, dass es sich auch um eine auxetische Wabenstruktur handeln kann. Die Herstellung derartiger Konstruktionsplatten in Sandwichbauweise ist jedoch aufwendig und weist insbesondere bei den Verklebungen der einzelnen Schichten potentielle Schwachstellen auf, d.h. bei einer Belastung kann es zu einer Delamination der Schichten kommen. Ebenso sind Sandwichelemente nur sehr begrenzt umformbar und gekrümmte Formen / Schalenelemente können nur schwer hergestellt werden.
Um das Verhältnis von aufnehmbarer Last zum Eigengewicht zu erhöhen ist es weiterhin z.B. aus „Advanced Space Structure Concepts and their Development" von D.K. Darooka und D.W. Jensen, veröffentlicht in „American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA-2001 -1257" bekannt, Zylinder mit einer sogenannten Iso-Gitterstruktur zu verwenden, bei der die einzelnen Gitterzellen durch Stege oder Rippen ausgebildet werden, von denen je drei ein gleichschenkliges Dreieck bilden. Eine derartige Gitterstruktur kann zur Versteifung auf eine zylindrische Oberfläche aufgetragen werden oder als offene zylindrische Gitterstruktur verwendet werden. Aufgabe der Erfindung ist es Bauelemente allgemeiner Art zur Verfügung zu stellen, bei denen auf einfache Art und Weise, insbesondere bei verringertem Gewicht eine weitere Verbesserung der mechanischen Festigkeits-, Trag- und Schwingungseigenschaften erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens eine Oberfläche eines Bauelementes eine auxetische Gitterstruktur aufweist bzw. umfasst, wobei insbesondere diese auxetische Gitterstruktur die oben genannten mechanischen Eigenschaften einer negativen Poissonzahl wenigstens in zwei Dimensionen, bevorzugt wenigstens parallel zur Oberfläche aufweist.
Bevorzugt kann die auxetische Gitterstruktur wenigstens einseitig offen ausgebildet sein, d.h. offene Zellen bilden. Im Sinne der Erfindung werden die Zellen als offen bezeichnet, selbst wenn Sie optisch durch eine Deckschicht oder Dekorschicht geschlossen sind, diese Deck- bzw. Dekorschicht jedoch nicht bzw. allenfalls unwesentlich zu einer Lastabtragungswirkung beiträgt.
Durch eine auxetische Gitterstruktur, die wenigstens auf/an/in einer Oberfläche bzw. innerhalb des Bauelementes angeordnet ist, wird eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Tragfähigkeit, Steifigkeit und der Schwingungseigenschaften eines derartigen Bauelementes erreicht, da die auxetischen Eigenschaften der Gitterstruktur am Bauelement dem unter Beanspruchung ansonsten auftretenden typischen Deformationsverhalten durch interne Versteifung entgegenwirkt. Es kann somit ein bestehendes Bauelement mit bestimmtem Gewicht in seinen Fähigkeiten zur Lastabtragung verbessert werden oder aber bei gleichen Fähigkeiten zur Lastabtragung ein Bauelement mit geringerem Gewicht verwendet werden.
Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil, bevorzugt die gesamte Oberfläche eines Bauelementes die genannte auxetische Gitterstruktur aufweist. Unter einer Oberfläche wird hierbei nicht nur eine nach außen hin sichtbare Oberfläche sondern gegebenenfalls auch innere Flächen verstanden, wie z.B. bei Hohlprofilen, zellulären Strukturen, Rohren, etc. , die innere und äußere Oberflächen aufweisen. Ebenso ist es möglich nur Teilbereiche einer Oberfläche mit einer auxetischen Gitterstruktur auszustatten.
Hierbei kann sich die auxetische Gitterstruktur oberflächennah jedoch auch bis in tiefere Bereiche des Bauelementes erstrecken, gegebenenfalls kann das Bauelement vollständig durch ein auxetisches Gitter, d.h. eine periodische Aneinanderreihung einer Vielzahl von Zellen mit auxetischem Verhalten aufgebaut sein. Erfindungsgemäß kann die Gitterstruktur offen oder geschlossen sein.
Zur Vermeidung von Nachteilen bei Sandwich- bzw. Kompositkonstruktionen kann es gemäß der Erfindung bevorzugt vorgesehen sein, dass die auxetische Gitterstruktur aus dem Material des Bauelementes ausgebildet ist und insbesondere einstückig mit dem Bauelement verbunden ist.
Um dies zu erreichen, kann in einer bevorzugten Ausführung die auxetische Gitterstruktur durch eine Materialbearbeitung wenigstens in/auf eine Oberfläche des Bauelementes eingebracht/aufgebracht sein. Die Materialbearbeitung kann beispielsweise durch Materialabtragung (spanend, nichtspanend), Materialaufbringung, Stanzen, Schweißen, Laserschneiden, Walzen, Prägen, Spritzen, Gießen, Kleben oder beliebige andere, dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. Auch mit üblichen Verfahren der Befestigungstechnik können auxetische Gitterstrukturen an einem Bauelement angebracht werden.
So können beispielsweise bestehende Bauelemente durch eine nachträgliche Bearbeitung z.B. durch Aufbringung, Ergänzung, Verstärkung mit einer auxetischen Gitterstruktur versehen werden, wobei durch die nachträgliche Bearbeitung die mechanischen Eigenschaften eines Bauelementes optimiert werden können. Die auxetische Gitterstruktur kann im Wesentlichen durch Stege ausgebildet werden, die untereinander verbunden sind und so eine Vielzahl von Zellen bilden, wobei z.B. die Stege einer kleinsten Zelle wenigstens in einem Teilbereich eine in das Zelleninnere weisende Ausbauchung aufweisen. Diese Zellform kann auch als zumindest teilweise konkav bezeichnet werden. Eine auxetische Wirkung einer Zelle kann auch durch andere Zellenformen erreicht werden. Hierbei umschließen die Stege Hohlräume, wobei jeder der Hohlräume ein Zelleninneres ausbildet. Insofern kann es vorgesehen sein, dass die Hohlräume der auxetischen Zellen lediglich oberflächennah z.B. durch nachträgliche Materialbearbeitung (Einbringung von Vertiefungen) erzeugt werden oder dass das Bauelement schon mittels eines ursprünglichen Herstellungsprozesses (z.B. Gießen) eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, die aufgrund ihrer Zellwandgestaltung auxetisches Verhalten zeigen.
So ist es beispielsweise auch möglich insbesondere bei flächenartigen Gebilden nicht nur die Stege, welche auxetische Zellen bilden, in das Flächenmaterial, beispielsweise ein Blech, einzuprägen, sondern es können ebenso beispielsweise durch Stanzen oder Laserschneiden in ein flächiges Gebilde entsprechend geformte Löcher bzw. Öffnungen eingebracht werden, so dass die stehen bleibenden Materialbereiche zwischen benachbarten Löchern bzw. Öffnungen eine insbesondere periodische Zellstruktur mit auxetischem Verhalten ausbilden. Hierdurch ergibt sich eine offene Zellstruktur.
Aus den genannten flächenartigen Bauelementen (z.B. Bleche) können auch dünnwandige beispielsweise ebene oder gekrümmte Strukturen als erfindungsgemäße Bauelemente gebildet werden, z.B. Zylinder etc. durch eine beliebig geformte Ausbildung eines Bauelementes. Bevorzugt werden solche dünnwandigen Bauelemente derart gebildet, dass sie in einer Dimension (z.B. Breite, Länge, Radius etc) eine wenigstens 40-fach größere Ausdehnung aufweisen als das Material dick ist. Die genannten Bauelemente können die auxetischen Oberflächenstrukturen aufweisen, wobei z.B. bei einem Aufbringen der auxetischen Struktur auf die Oberfläche diese Struktur bevorzugt eine etwa 1 bis 10 - fache Dicke im Vergleich zur Materialdicke des Bauelementes aufweist. Die auxetische Struktur bildet dann sogenannte Steifen auf der Oberfläche. Bei einem Einbringen der auxetischen Struktur in die Oberfläche kann diese Struktur beliebige Tiefen aufweisen, bis im Grenzfall eine Tiefe erreicht ist, die der Materialdicke entspricht, wodurch sich die schon genannte offene Gitterzellenstruktur ergibt.
Gerade derartige flächige Gitterstruktüren mit auxetischen Zellen sind auch geeignet als Bestandteile von Schichtverbunden zu dienen, bei dem mehrere dieser flächigen Bauelemente übereinander gelegt und miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder andere Techniken. Zwischen den erfindungsgemäßen Bauelementen können Schichten aus üblichen Materialien angeordnet sein. Ebenso können Materialien gewählt werden, die selbst auxetisches Verhalten zeigen.
Eine Verbindung zwischen zwei Gitterstrukturen in einem Schichtverbund kann auch durch Stege erfolgen. Diese Stege können hierbei auch so angeordnet werden, dass durch die Stege wiederum auxetische Zellen gebildet werden, so dass eine auxetische Wirkung zum einen in der Ebene der Gitterstrukturen als auch senkrecht dazu erreicht werden kann.
Es können bevorzugt die einzelnen flächigen Bauelemente gegeneinander versetzt miteinander verbunden werden. Beispielsweise können bei üblichen Sandwichbzw. Laminat-Aufbauten die verschiedenen Schichten, z.B. die äußeren Deckplatten, aus erfindungsgemäßen Bauelementen ausgeführt sein.
Die auf eine Oberfläche aufgebrachten oder in eine Oberfläche eingebrachten Stege können ihrerseits beliebige Querschnitte aufweisen und massiv oder auch hohl ausgebildet sein. Ein Steg selbst kann beispielsweise auch dünnwandig offen oder geschlossen sein.
Die Stege, die die Wände einer auxetischen Zelle ausbilden, können in einer einfachen Ausführung senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sein. In diesem Fall ergibt sich im wesentlichen eine auxetische Eigenschaft der Zellgitterstruktur zweidimensional parallel zur Oberfläche.
Ebenso ist es möglich, die Stege derart auszubilden, dass die Wände abweichend von der senkrechten Orientierung zur Oberfläche geneigt angeordnet sind. Hierdurch kann die Möglichkeit geschaffen werden, mehrere Zelllagen übereinander zu stapeln, so dass sich auch senkrecht zur Oberfläche Lagen von auxetischen Zellen bilden, wodurch eine dreidimensionale Wirkung der auxetischen Zellgitterstruktur erreichbar ist.
Bei den bislang beschriebenen Ausführungen ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Zellwände der auxetischen Gitterzellenstruktur biegesteif ausgeführt und an den Knoten, die die Zellwände verbinden, biegesteif verbunden sind.
Ebenso ist es möglich, die auxetische Zellgitterstruktur aus flexiblen Zellwänden zu bilden, die an den Knoten biegesteif verbunden sind, so dass sich hierdurch weitere Anwendungsmöglichkeiten erschließen, wie beispielsweise biegeweiche Membrankonstruktionen. Die auxetische Struktur kann beispielsweise aus flexiblen Bändern (z.B. Stahlseilen, Stahl- und/oder Kunststoffbändern) ausgebildet sein, die von einer oder mehreren Materialschichten umschlossen oder auf diesen aufgebracht sind.
Z.B. kann eine flexible auxetische Netzstruktur zwischen zwei Materialbahnen aus beliebigem Material (beispielsweise auch Textilien, Tücher) eingeschlossen sein, wobei die beiden gegenüberliegenden Materialbahnen durch die offenen Zellen der auxetischen Gitter- bzw. Netzstruktur miteinander verbunden sind, z.B. durch Verkleben, Schweißen, Nähen, Nieten oder andere dem Fachmann geläufige Maßnahmen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die auxetische Gitter- bzw. Netzstruktur lose zwischen den Materialbahnen einliegt oder ebenfalls auf wenigstens einer Seite mit der Materialbahn im obengenannten Sinn verbunden ist.
Auxetische Strukturen können auch in einer bevorzugten Ausführung in Form eines sich in allen drei Dimensionen erstreckenden auxetischen Gitters auf/an/in einer Oberfläche eines Bauelementes realisiert werden. Z.B. kann ein auxetischer Schaum mit auxetisch wirkenden Schaumzellen verwendet werden. Ein derartiges dreidimensionales Gitter kann auf/an/in inneren und äußeren Oberflächen eines Bauelementes vorgesehen sein.
Eine besonders bevorzugte Ausführung ergibt sich bei hohlprofilartigen Bauelementen, z.B. Hohlzylindern, Rohren etc mit grundsätzlich beliebiger Querschnittsform, wie z.B. rund oder eckig.
Derartige Hohlprofile weisen üblicherweise ein das Äußere des Profil bildendes Material aus, welches einen Hohlraum umschließt. Solche Hohlprofile können erfindungsgemäß mit auxetischen Strukturen verstärkt oder bei gleichen Lastabtragungseigenschaften gemäß der Erfindung leichter ausgeführt werden.
So kann bei einem Hohlprofil an dessen inneren und/oder äußeren Oberfläche die selbst nicht auxetisch ist, aber sein kann, eine auxetische Struktur angeordnet sein, z.B. ein auxetisch wirkender Schaum. Hierbei kann die Ausdehnung der auxetischen Struktur von der inneren Oberfläche des Hohlprofils nach innen oder von der äußeren Oberfläche nach außen bevorzugt im Bereich von 1% bis 15%, besonders bevorzugt von 5% bis 10% der radialen Ausdehnung des Hohlprofils ohne erfindungsgemäße auxetische Strktur ausmachen.
Ebenso kann schon die Oberfläche des Hohlprofiles selbst eine auxetische Struktur aufweisen, die in/an/auf der Oberfläche angeordnet ist, wobei dann sogar schon eine Verbesserung der Lastabtragung erreicht wird durch eine Struktur mit üblichen Zellen oder bevorzugt auch mit auxetischen Zellen, die an der inneren oder äußeren Oberfläche angeordnet ist. Auch diese Struktur kann die zuvor genannten Ausdehnungen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung snd in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Vergleich einer üblichen Wabenstruktur mit einer auxetischen Gitterstruktur;
Figur 2: eine einzelne repräsentative auxetische Zelle mit vertikalen
Zellwänden;
Figur 3: eine einzelne repräsentative auxetische Zelle mit in das Zellinnere geneigten Zellwänden;
Figur 4: auxetische Strukturen im Schnitt durch ein-/zweiseitigen Materialauftrag auf eine Oberfläche;
Figur 5a: auxetische Strukturen im Schnitt durch ein-/zweiseitige Einprägungen in eine Oberfläche, z.B. ein Blech;
Figur 5b: zweiseitige auxetische Strukturen durch Aneinanderfügung zweier einseitiger Einprägungen in je eine Oberfläche;
Figur 6: eingebettete erfindungsgemäße Bauelemente mit auxetischen
Strukturen;
Figur 7: ein zumindest bereichsweise auxetisch ausgebildetes bzw. versteiftes
Bauelement mit einer zylindrisch gekrümmten Oberfläche;
Figur 8: ein zumindest bereichsweise auxetisch ausgebildetes bzw. versteiftes Bauelement mit ebenen Oberflächen;
Figur 9: ein zwischen zwei Materialbahnen einliegendes auxetisches Netz; Figur 10: ein Hohlprofil mit einer im Inneren angeordneten auxetischen Struktur;
Figur 11 : ein Hohlprofil mit einer außen angeordneten auxetischen Struktur;
Figur 12: ein Hohlprofil mit innen und außen angeordneter auxetischen Struktur;
Figur 13: ein Hohlprofil mit auxetischer Oberfläche mit einer innen angeordneten normalen oder auxetischen Struktur;
Figur 14: ein Hohlprofil mit auxetischer Oberfläche mit einer außen angeordneten normalen oder auxetischen Struktur;
Figur 15: ein Hohlprofil mit auxetischer Oberfläche mit einer innen und außen angeordneten normalen oder auxetischen Struktur;
Die Figur 1 zeigt im oberen Bereich a) eine typische Bienenwabengitterstruktur (Honeycomb), die gemäß üblicher Materialien ein Verhalten mit positiver Poissonzahl aufweist, d.h. bei Anlegen einer Zugkraft an die Bienenwabenstruktur, wird sich diese in Richtung der Zugkraft strecken und senkrecht zur Zugkraft verjüngen, wie es im rechten Teil der Figur 1 a) angedeutet ist.
Demgegenüber ist im unteren Teil b) der Figur 1 eine Gitterstruktur mit auxetischem Verhalten dargestellt, bei der eine jede Zelle 1 einen Wandbereich bzw. Stegbereich 2 aufweist, der in das Zelleninnere hinein ausgebaucht ist und maßgeblich zum auxetischen Verhalten der Gesamtanordnung beiträgt. Eine solche Zelle hat von außen betrachtet zumindest teilweise eine konkave Zellwandung. Rechtsseitig im Teil b) der Figur 1 ist dargestellt, wie die auxetische Zellstruktur beim Anlegen einer Zugkraft sich sowohl in Richtung der Zugkraft als auch senkrecht zur Zugkraft vergrößert und dementsprechend das auxetische Verhalten mit negativer Poissonzahl aufweist.
Kern des erfindungsgemäßen Gedankens ist es, eine derartige auxetische Gitterstruktur, wie sie beispielhaft in der Figur 1 gezeigt ist, jedoch noch auf vielfältig andere Art und Weise realisierbar ist (andere Zellenformen), wenigstens auf/in einer Oberfläche eines Bauelementes anzuordnen. Durch das besondere mechanische Verhalten der auxetischen Gitterstruktur kann erfindungsgemäß eine Verstärkung und Verbesserung der mechanischen Festigkeitseigenschaften, insbesondere der Eigenschaften zur Lastabtragung und/oder des Schwingungsverhaltens eines Bauelementes erzielt werden.
Hierbei kann es sich um beliebige Bauelemente handeln, wie beispielsweise Träger, Stäbe, Rohre, Platten und Schalen, etc. mit jeweils beliebigen Querschnittsformen und Materialien, wobei eine auxetische Gitterstruktur zumindest in eine Oberfläche des Bauelementes eingebracht oder auf diese aufgebracht ist, gegebenenfalls das Volumen eines Bauelementes durchzieht.
Die Figur 2 zeigt repräsentativ eine einzelne Zelle aus dem in Figur 1 dargestellten periodischen Zellenaufbau. Die gezeigte Form stellt lediglich eine von vielen Möglichkeiten dar, eine auxetische Zelle zu bilden. Diese hier gezeigte Zelle wird in den folgenden Figuren als Repräsentant für alle möglichen Zellenformen verwendet.
Die Zelle nach Figur 2 weist seitliche Wandbereiche 2 auf, die vorliegend senkrecht zu einer nicht dargestellten Oberfläche orientiert sind. Hierdurch ergibt sich ein auxetisches Verhalten einer aus dieser Zelle aufgebauten periodischen Struktur in zwei Dimensionen parallel zur Oberfläche. Die Verhältnisse von Länge zu Breite a/b bzw. Höhe zu Breite h/b können beliebig sein, wobei bevorzugt h/b < a/b gilt.
Die Zellen bzw. die gesamte Zellstruktur kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, insbesondere aus dem Material der Oberfläche, auf oder in der die Struktur angebracht werden soll. Bevorzugt wird es sich bei dem Material um Metall, Kunststoff, Verbundwerkstoffe oder beliebige Kombinationen daraus handeln.
Jeder der Zellwandbereiche 2 ist bevorzugt biegesteif ausgeführt, damit evtl. Belastungen der Zellstruktur ohne Verformung der Wandbereiche 2 in die gesamte Zellstruktur eingeleitet werden und sich die Zellstruktur vermittels einer Bewegung der Wandbereiche 2 gegeneinander über die Verbindungsknoten 3 streckt.
Der Querschnitt eines jeden durch die Wandbereiche 2 gebildeten Steges kann beliebig sein. Ebenso können die Stege hohl, massiv oder dünnwandig offen/geschlossen ausgeführt sein.
Der für eine auxetische Struktur typische konkave Bereich der Zelle ist durch den Bereich K gegeben.
Die Figur 3 zeigt eine auxetische Zelle in Aufsicht mit grundsätzlich ähnlichem Aufbau, wobei jedoch hier die Zellwände 2 jeweils in Richtung des Zellinneren geneigt sind. Relativ zur Oberfläche, auf/in der die Zellen angeordnet sind (hier die Blattebene) weist eine Zellwand einen von 90 Grad verschiedenen Winkel auf.
Derartige Zellen können in mehreren Ebenen übereinandergestapelt werden, wobei bevorzugt benachbarte Ebenen zueinander um 180 Grad umgeklappt sind, so dass beim Aufeinanderlegen mehrerer Zellebenen die Ober- und Unterseiten der Zellwände aufeinander fluchtend und bündig zu liegen kommen. Hierdurch ergibt sich weiterhin auch eine in die Höhe reichende auxetische Zellenstruktur, so dass eine dreidimensionale Wirkung dieser Struktur erreicht werden kann.
Die Figur 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein dünnwandiges Bauelement gemäß der Erfindung. Im oberen Bereich der Figur 4 ist es dargestellt, dass Material einseitig auf die Oberfläche O des Bauelementes an- bzw. aufgebracht ist. Aufgrund der Schnittdarstellung senkrecht zur Oberfläche ist die typische Zellstruktur hier nicht erkennbar. Ersichtlich ist es, dass die Zellwände 2 sich wie bei Figur 2 beschrieben senkrecht zur Oberfläche O erstrecken. Die Zellen können zueinander eine beliebige, auch örtlich bzw. bereichsweise variable Periodizitat b aufweisen, so dass sich auch eine Gradientenstruktur ergeben kann. Die Figur 4 unten zeigt beidseitig auf die Oberfläche O an- bzw. aufgebrachte Zellstrukturen mit senkrechten Wandbereichen 2. Die auf der oberen und unteren Oberfläche des Bauelementes angebrachten Zellstrukturen, können, wie hier dargestellt, auch gegeneinander versetzt angeordnet sein.
Bei beiden Ausführungen gemäß Figur 4 bilden die auxetischen Zellstrukturen Versteifungen, die durch Auftragen von Material oder Befestigung auf der Oberfläche O, Abtragen von Material von der Oberfläche O oder ähnliche Maßnahmen herstellbar sind.
Die Figur 5a zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen dünnwandigen Bauelementes mit einer Dicke D, z.B. ein Blech, in das die auxetischen Zellstrukturen durch Einprägen ein- oder zweiseitig eingebracht wurden. Auch hier können die Zellstrukturen von oberer und unterer Oberfläche zueinander versetzt sein.
Durch die Einprägungen ergeben sich hier weiterhin Zellwandbereiche, die in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Oberfläche O angeordnet sind. Grundsätzlich kann der Prägequerschnitt, der die Neigung oder Formgebung der Wandbereiche 2 bestimmt, beliebig sein.
Figur 5b zeigt die Möglichkeit, zwei erfindungsgemäße Bauelemente (z.B. Bleche), die jeweils auf einer Oberfläche einseitig eine eingeprägte auxetische Struktur aufweisen, aneinanderzufügen, insbesondere derart, dass die jeweiligen Einprägungen zueinander gewandt und die ausgeformten Vorsprünge voneinander abgewandt sind. Die Verbindung kann durch jegliche Art, z.B. Verkleben, Verschweißen etc. erfolgen. Die jeweiligen auxetischen Strukturen können gegeneinander versetzt sein und gleiche oder unterschiedliche Periodizitäten b aufweisen. Die Figuren 6a und 6b zeigt zwei Möglichkeiten, bei der ein auxetisches erfindungsgemäßes Bauelement, insbesondere ein flächiges dünnwandiges Bauelement mit einem anderen erfindungsgemäßen Bauelement durch ein dazwischenliegendes Matrixmaterial M verbunden ist. Figur 6a beschreibt eine Sandwichkonstruktion und Figur 6b eine Laminatkonstruktion.
Beispielsweise kann es sich mit Bezug auf Figur 6a bei dem Matrixmaterial um eine im Stand der Technik bekannte Kernstruktur handeln, die zwischen zwei Trägerplatten T angeordnet ist, wobei eine Trägerplatte T einseitig oder zweiseitig die erfindungsgemäße Zellstruktur mit auxetischen Zellen aufweist. Hierbei kann gemäß der Figur 6a die Art und Weise, wie die Struktur auf die Trägerplatten aufgebracht ist, unterschiedlich sein, z.B. wie zu den Figuren 4 und 5 beschrieben.
Es kann ebenso vorgesehen sein, dass erfindungsgemäße Bauelemente mit Bezug auf Figur 6b vollständig von nicht auxetischem Material M umgeben sind. Es befinden sich dann insbesondere in einem Abstand zueinander mehrere auxetisch wirkende Schichten in einem Verbund, wobei jede Schicht unterschiedlich ausgebildet sein kann.
Es ist weiterhin möglich, dass das Matrixmaterial durch eine zweidimensional oder dreidimensional wirkende auxetischen Zellstruktur gebildet ist.
Anwendungsgebiete sind z.B. laminierte Mehrschichtverbundwerkstoffe oder -konstruktionen, armierte Werkstoffe oder -konstruktionen (z.B. Gitterbewehrungen bei duktilen, spröden und kohäsiv - granulären Materialien, Reifen, Schläuchen etc).
Die Figur 7 zeigt ein Beispiel, bei dem zumindest teilbereichsweise die Oberfläche eines dünnwandigen Zylinders eine offene auxetische Struktur A aufweist bzw. auf die äußere Oberfläche eines dünnwandigen Zylinders Z aufgebracht/ aufgeprägt ist. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Lastabtragung besonders bei einer Belastung durch eine Kraft F in Richtung der Zylinderachse ZA. Es kann beispielsweise bei jedem flächigen Bauelement, wie z.B. einem ebenen Blech, wie es in Figur 8 dargestellt ist, eine auxetische Gitterstruktur durch Einprägen in die Fläche eingebracht werden, wobei sich insbesondere auf der einen Seite des Bleches die Stege als Vertiefungen und auf der anderen Seite des Bleches die Stege als Erhebungen ausbilden. Ganz allgemein kann es vorgesehen sein, in den Bauelementen erfindungsgemäßer Art die Stege, die die Zellenform mit auxetischem Verhalten ausbilden, durch Vertiefungen im Material des Bauelementes oder Erhebungen zu realisieren.
Die Figur 9 zeigt ein biegeweiches auxetisches Netz N, welches durch flexible Bänder oder Seile gebildet ist, wobei die Bänder bzw. Seile die Zellwände bilden. Ein solches auxetisches Netz N kann durch zwei Materialbahnen, wie beispielsweise einem Membranmateriai MM beidseitig umschlossen oder einseitig auf diesem befestigt sein. Hierbei kann es sich um Textilien, Folien, Verbundstoffe etc. handeln.
Wie rechtsseitig in der Figur 9 dargestellt können die Materialbahnen MM durch die offene Zellstruktur hindurch miteinander durch geeignete Maßnahmen verbunden sein. Ebenso kann auch die Oberfläche einer einzelnen Materialbahn MM mit der auxetischen Netzstruktur N verbunden sein.
Die Figur 10 zeigt als bevorzugte Ausführung ein Hohlprofil 5 mit rundem Querschnitt, wobei das Material des Hohlprofiles 5 eine normale Oberflächenbeschaffenheit ohne auxetische Wirkung aufweist. Es kann sich z.B. um einen klassischen Zylinder oder ein Rohr handeln. Die Dicke des Hohlprofil- Materials ist hier im Vergleich zum Querschnitt vernachlässigbar und beispielsweise 10 bis 100-fach geringer.
Der runde Querschnitt in dieser und der folgenden Figuren ist repräsentativ zu verstehen, hier sind grundsätzlich alle Querschnitte möglich. Das Hohlprofil selbst weist einen Radius R1 auf und umschließt einen Hohlraum H, der sich längs des Profils 5 um die Längsachse A erstreckt.
Im inneren Bereich H des Hohlprofils 5 ist auf der inneren Oberfläche eine auxetische Struktur 6 angeordnet, die sich nach innen erstreckt, aber den Hohlraum H bevorzugt nicht vollständig sondern nur bis zum Radius R2 ausfüllt. Diese auxetische Struktur kann z.B. durch einen Schaum gebildet sein, der auxetische Zellen aufweist, wobei die Dichte des Materiales, aus dem der Schaum besteht, geringer sein kann, als die des Profilmateriales. Dies gilt ebenso für die später angegebenen Ausführungen.
Besonders gute Lastabtragungseigenschaften werden bezogen auf das Gewicht der Konstruktion erzielt, wenn (R1-R2)/R1 <= 0,15 oder bevorzugt <=0,1 ist.
Figur 11 zeigt vergleichbar mit Figur 10 eine auxetische Struktur 6, die auf der äußeren Oberfläche des Hohlprofiles 5 angeordnet ist. Hier gilt bevorzugt (R2-R1)/R2 <= 0,15, besonders bevorzugt <=0,1
Figur 12 zeigt eine auxetische Struktur 6, die jeweils auf der inneren und der äußeren Oberfläche des Hohlprofiles 5 angeordnet ist. Auch hier kann bevorzugt die Dimensionierung so gewählt sein, dass die Dicke der auxetischen Struktur kleiner ist als 5% bis 15% des radialen Querschnittes des Hohlprofils, besonders bevorzugt kleiner als 10%. Bei den Anordnungen, die an der inneren und äußeren Oberfläche eines Hohlprofils eine auxetische Struktur aufweisen, können innen und außen gleiche oder auch unterschiedliche Materialien gewählt werden.
Figur 13 zeigt eine Ausführung, bei der die Oberfläche des Hohlprofiles 5 selbst eine auxetische Wirkung zeigt, wobei auch hier wieder die Dicke vernachlässigbar ist. Beispielsweise kann die auxetische Wirkung durch Ausnehmungen hervorgerufen sein, die in die Oberfläche des Hohlprofils 5 eingebracht sind. Hier wird schon eine Verbesserung der Lastabtragung erreichet, wenn die Struktur 6 auf der Innenseite keine auxetische Wirkung zeigt. Hier kann z.B. ein üblicher Schaum verwendet werden. Besonders bevorzugt ist das Material 6 wie in den vorgenannten Ausführungen jedoch ebenso auxetisch und bevorzugt mit den genannten Dimensionen.
Figur 14 zeigt die äquivalente Anordnung einer nicht-auxetischen oder auxetischen Struktur 6 (z.B. eines Schaums) auf der äußeren auxetischen Oberfläche des Hohlprofils 5 gemäß Figur 13 und Figur 15 zeigt die beidseitige Anordnung. Auch hier kann es bei beidseitiger Anordnung vorgesehen sein, zu beiden Seiten gleiche oder unterschiedliche Materialien zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche des Bauelementes eine auxetische Gitterstruktur aufweist.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Gitterstruktur aus dem Material des Bauelementes ausgebildet ist.
3. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Gitterstruktur durch eine Materialbearbeitung wenigstens in/auf die Oberfläche des Bauelementes eingebracht/aufgebracht ist, insbesondere durch Stanzen, Schweißen, Laserschneiden, Walzen, Prägen.
4. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Gitterstruktur durch Stege ausgebildet wird, die eine Vielzahl von Zellen bilden, wobei die Stege einer kleinsten Zelle wenigstens in einem Teilbereich eine in das Zelleninnere weisende Ausbauchung bilden.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege Hohlräume umschließen, wobei jeder Hohlraum ein Zelleninneres bildet.
6. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Gitterstruktur durch ein anderes Material ausgebildet ist, wobei die Struktur durch eine formschlüssige Verbindung an/in dem Bauelement angeordnet ist.
7. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Träger, Stab, Rohr, oder flächig ausgebildet ist.
8. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein Verbund mehrerer Bauelemente ausgebildet ist.
9. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Hohlprofil (5) mit nicht auxetischen Oberflächen umfasst, wobei an die innere und/oder äußere Oberfläche des Hohlprofils (5) eine auxetische Struktur (6), insbesondere ein auxetisch wirkender Schaum, angeordnet ist.
10. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Hohlprofil (5) mit auxetischen Oberflächen umfasst, wobei an die innere und/oder äußere Oberfläche des Hohlprofils (5) eine auxetische oder nichtauxetische Struktur (6), insbesondere ein auxetisch wirkender oder nicht auxetisch wirkender Schaum, angeordnet ist.
11. Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung einer an einer Oberfläche des Hohlprofils angeordneten Struktur (6) 5% bis 15%, bevorzugt 10% der radialen Ausdehnung des Hohlprofils (5) im Querschnitt beträgt.
12. Verwendung von auxetischen Gitterstrukturen wenigstens auf einer Oberfläche eines Bauelementes zur Verstärkung des Bauelementes.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004043144B4 (de) * 2004-05-21 2012-02-02 Universität Dortmund Zweischichtiges, ebenes Bauelement
DE102006005264B4 (de) 2006-02-02 2018-03-08 Hans Obrecht Bauelement
US8453730B2 (en) * 2008-05-23 2013-06-04 Schlumberger Technology Corporation System and method for improving operational characteristics
DE102008043623A1 (de) * 2008-11-10 2010-05-12 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Auxetisches Material
DE102013224751A1 (de) * 2013-12-03 2015-06-03 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle mit auxetischen Komponenten
DE102014225069A1 (de) * 2014-12-05 2016-06-09 Robert Bosch Gmbh Bauteil zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung in einem Batteriezellenmodul
DE102015103711A1 (de) * 2015-03-13 2016-09-15 Norma Germany Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Rohres mit einer außenseitigen Mantelfläche, die eine auxetische Struktur aufweist, Werkzeugbacke, Rohrextruderwerkzeug und Rohr
DE102016006280A1 (de) * 2016-05-19 2017-11-23 Fachhochschule Bielefeld Flächengebilde
EP3395561B1 (de) * 2017-04-26 2020-12-30 Airbus Operations, S.L. Dreidimensionale auxetische struktur, herstellungsverfahren und werkzeug
TR201707444A2 (tr) 2017-05-22 2017-07-21 Univ Istanbul Teknik Modüler darbe sönümleyi̇ci̇ yapi
USD870479S1 (en) 2017-12-05 2019-12-24 Steelcase Inc. Chair
USD869890S1 (en) 2017-12-05 2019-12-17 Steelcase Inc. Chairback
USD869872S1 (en) 2017-12-05 2019-12-17 Steelcase Inc. Chair
US10813463B2 (en) 2017-12-05 2020-10-27 Steelcase Inc. Compliant backrest
US11291305B2 (en) 2017-12-05 2022-04-05 Steelcase Inc. Compliant backrest
USD869889S1 (en) 2017-12-05 2019-12-17 Steelcase Inc. Chairback
CN109854575A (zh) * 2019-04-02 2019-06-07 南京工业大学 一种具有负泊松比效应的连接件及其设计方法
USD907383S1 (en) 2019-05-31 2021-01-12 Steelcase Inc. Chair with upholstered back
USD907935S1 (en) 2019-05-31 2021-01-19 Steelcase Inc. Chair
DE102021109155A1 (de) 2021-04-13 2022-10-13 HELLA GmbH & Co. KGaA Automobilbauteil aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69610830T2 (de) * 1996-07-22 2001-05-17 Hexcel Corp Wabenförmige Kernmaterialien mit partikelförmiger Verstärkung
GB9723140D0 (en) * 1997-11-04 1998-01-07 British Nuclear Fuels Plc Improvements in and relating to material separations
DE19849366A1 (de) * 1998-10-20 2000-04-27 J & S Gmbh Werkzeugbau Stanz U Sandwich-Abschirmblech
DE19858432B4 (de) * 1998-12-17 2008-04-10 Dr. Mirtsch Gmbh Energieabsorbierendes Deformationselement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004104315A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10323367A1 (de) 2004-12-16
DE10323367B4 (de) 2012-04-19
WO2004104315A1 (de) 2004-12-02

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