DE4412865B4

DE4412865B4 - Verwendung eines Leichtbauelementes

Info

Publication number: DE4412865B4
Application number: DE4412865A
Authority: DE
Inventors: Jürgen RITTER; Helmut W. Diedrichs
Original assignee: H WILHELM MECKENSTOCK GmbH; Wilhelm Meckenstock H GmbH
Current assignee: H. WILHELM MECKENSTOCK GMBH, 40822 METTMANN, DE DI
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: DE4412865A1

Abstract

Verwendung eines Leichtbauelements als Ersatzwerkstoff für herkömmliche, aus Blechen hergestellte Blechformteile, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, mit gegenüber den herkömmlichen Formteilen aus Blech unverminderten Festigkeitseigenschaften, bestehend aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, die übereinander liegend angeordnet wenigstens punktweise miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine der Schichten eine dreidimensionale Struktur aufweist, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene in einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen ist, eine im Wesentlichen geschlossene Schichtfläche aufweist und durch eine Vielzahl von kuppelartigen Gewölben gebildet ist, die über den überwiegenden Teil der Schichtfläche ausgebildet sind und im Wesentlichen senkrecht zur Schichtebene stehen.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Leichtbauelementes als Ersatzwerkstoff für herkömmliche, aus Blech hergestellte Blechformteile, insbesondere im Kraftfahrzeugbau.
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 Raumbedarf 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 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 ein Blech oder 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. Beispielsweise ist aus der EP 557 597 A1 ein thermisches und akkustisches Isolierlaminat mit einem ähnlichen Aufbau bekannt. Das Isolierlaminat weist zwei schichtbildende Elemente aus Aluminiumfolie auf, von denen mindestens eine eine Stärke von 20 Mikrometer oder weniger aufweist. Zwischen den Folien sind Aluminium-Abstandselemente angeordnet, die gegenüber den Aluminiumfolien eine kleine Berührungsfläche aufweisen. Die Abstandselemente sind wellblechartig ausgebildet und in einer um 90 Grad versetzten Anordnung zueinander positioniert.

Aus der WO 91/19866 A1 ist ein Verbundmaterial bekannt, bei dem eine Kernschicht zwischen zwei verhältnismäßig dünnen Außenschichten aus einem harten, hochfesten Material angeordnet ist. Die Kernschicht besteht aus Reihen von offenen, vielflächigen Rahmen, die mit ihren äußeren Punkten mit den Außenschichten verbunden sind.

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.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leichtbauelement bereitzustellen, welches ohne Einbußen an Festigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Blechbauteilen auch bei schwierigen Verformungsanforderungen spanlos verformbar ist und weiterhin die Integration von insbesondere Dämmfunktionen ermöglicht.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen eine Verwendung eines Leichtbauelements als Ersatzwerkstoff für herkömmliche, aus Blechen hergestellte Blechformteile, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, mit gegenüber den herkömmlichen Formteilen aus Blech unverminderten Festigkeitseigenschaften, bestehend aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, die übereinander liegend angeordnet wenigstens punktweise miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine der Schichten eine dreidimensionale Struktur aufweist, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene in einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen ist, eine im Wesentlichen geschlossene Schichtfläche aufweist und durch eine Vielzahl von kuppelartigen Gewölben gebildet ist, die über den überwiegenden Teil der Schichtfläche ausgebildet sind und im Wesentlichen senkrecht zur Schichtebene stehen.

Durch die durchbrochene Struktur in einer der beiden Schichten, die vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen gebildet sind, wird das 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. Mit Vorteil wird angegeben, dass die Struktur in jeder der Richtungen gleichmäßig durchbrochen ist, wodurch die Verformbarkeit begünstigt wird.

Wenigstens die Schicht mit der dreidimensionalen Struktur weist eine Noppenstruktur auf. 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 ist wenigstens eine der Schichten ein Blech. Aufgrund der Sandwich-Anordnung von wenigstens zwei Schichten kann dieses 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. Dadurch lassen sich sehr leichte, aber dicke und gut verformbare Schichten herstellen.

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.

Das Leichtbauelement zeichnet sich durch einfache und automatisierbare Herstellbarkeit und sehr gute Festigkeitseigenschaften aus. Durch die zwischen den Schichten gebildeten Hohlräume weist das Leichtbauelement ein sehr niedriges spezifisches Gewicht auf. Die Hohlräume wirken weiterhin der Neigung zum Dröhnen entgegen, so dass das Leichtbauelement gegenüber herkömmlichen Blechformteilen nicht zum Dröhnen unter Schwingungsbelastungen neigt. Das 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 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 Zusatrwerkstoffe verzichtet und Gewicht und Raum eingespart werden. Das Leichtbauelement ist damit äußerst wirtschaftlich herstell- und einsetzbar.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform für ein Leichtbauelement;
2a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schicht;
2b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß 2a;
3a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;
3b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß 3a;
4a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer Ausführungsform eines Leichtbauelementes;
4b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß 4a;
5a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Leichtbauelementes;
5b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß 5a.
In den Figuren sind unterschiedlichste Ausführungsformen für Leichtbauelemente und dafür verwendbare Schichtelemente gezeigt.
Rein schematisch ist in 1 eine perspektivische Ansicht eines Leichtbauelementes 9 gezeigt, welches aus zwei Schichtelementen, nämlich einem glatten Schichtelement 1 und einem strukturierten Schichtelement 2 gebildet ist. Die Schichtelemente können in unbeschränkter Weise kombiniert sein. Ausführungsformen für strukturierte Schichtelemente sind in den 2 bis 7 gezeigt. Die mit a bezeichneten Figuren zeigen regelmäßig eine Draufsicht, die mit b bezeichneten Figuren eine Schnittansicht. Bei dem in 2 gezeigten strukturierten Schichtelement handelt es sich um ein gerundetes Noppenblech 3, in welches zur Bildung von kuppelartigen Gewölben Noppen in dem Blech ausgebildet sind, die einen gerundeten Querschnitt aufweisen. Die Noppen bei dem gerundeten Noppenblech 3 weisen eine Mittelsenkrechte auf, die im wesentlichen senkrecht zur Blechebene steht. Es ist ohne weiteres möglich, die Noppen auszurichten, so dass sich entsprechend winklige Ausbildungen ergeben, was die Verformbarkeit in bestimmten Richtungen verbessert.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein eckiges Noppenblech, bei welchem die Noppenspitzen abgeflacht sind. Die Klebeangriffsfläche zur Verbindung mit benachbarten Schichten ist damit vergrößert, wie in 3b zu sehen ist. Das eckige Noppenblech 4 hat im übrigen Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften, die dem des gerundeten Noppenbleches 3 im wesentlichen entsprechen.
In den 4 und 5 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele für aus verschiedenen Schichten gebildeten Leichtbauelementen gezeigt. Bei dem in den 4a und 4b gezeigten Leichtbauelement 9 wurde ein glattes Schichtelement 1 und ein strukturiertes Schichtelement, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein eckiges Noppenblech 4, miteinander zu einem Leichtbauelement 9 verbunden. Durch die kuppelartigen Gewölbe im eckigen Noppenblech 4 hat dieses Leichtbauelement 9 hervorragende Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften. Es läßt sich in nahezu jeder zur Schichtebene geneigten Richtung verformen und ermöglicht auch schwierige Verformbarkeitsgrade.
Ein ähnliches Leichtbauelement mit verbesserten Festigkeitseigenschaften ist in den 5a und 5b gezeigt. Das Leichtbauelement 11 ist durch die Verbindung eines glatten Schichtelementes 1 in Form eines Bleches 1, zwei strukturierten Schichtelementen in Form eckiger Noppenbleche 4 und einem weiteren glatten Schichtelement in Form eines Lochbleches 13 aufgebaut. Ein derartiges Leichtbauelement 11 hat gute Festigkeitseigenschaften und gute akustische Dämmeigenschaften.
Als Zwischenlagen kommen 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.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind hinsichtlich der Erfindung nicht beschränkend nur zur Erläuterung aufgeführt.

1: glattes Schichtelement
2: strukturiertes Schichtelement
3: gerundetes Noppenblech
4: eckiges Noppenblech
9: Leichtbauelement
11: Leichtbauelement
13: Lochblech

Claims

Verwendung eines Leichtbauelements als Ersatzwerkstoff für herkömmliche, aus Blechen hergestellte Blechformteile, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, mit gegenüber den herkömmlichen Formteilen aus Blech unverminderten Festigkeitseigenschaften, bestehend aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, die übereinander liegend angeordnet wenigstens punktweise miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine der Schichten eine dreidimensionale Struktur aufweist, welche in wenigstens zwei in der Schichtebene in einem Winkel zueinander liegenden Richtungen durchbrochen ist, eine im Wesentlichen geschlossene Schichtfläche aufweist und durch eine Vielzahl von kuppelartigen Gewölben gebildet ist, die über den überwiegenden Teil der Schichtfläche ausgebildet sind und im Wesentlichen senkrecht zur Schichtebene stehen.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur in jeder der Richtungen gleichmäßig durchbrochen ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten ein Blech ist.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech ein Noppenblech (3, 4) ist.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech wenigstens partiell gelocht ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten eine Folie ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten aus Aluminium gebildet ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten miteinander durch Löten verbunden sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Schweißen miteinander verbunden sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Kleben miteinander verbunden sind.