DE4412865A1 - 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 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.

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 ein Leichtbauelement bereitgestellt, welches aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff gebildet ist, die übereinanderliegend angeordnet wenigstens punktweise aneinander befestigt 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.

Durch die durchbrochene Struktur in einer der beiden Schichten, die vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen gebildet sind, wird 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. 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 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. Mit besonderem Vorteil wird vorgeschlagen, daß als Folie eine Streckfolie eingesetzt wird. Streckfolien weisen in wenigstens zwei Richtungen durchbrochene Strukturen auf, die sich auch je nach gewünschter Funktion variieren lassen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, daß wenigstens eine der Schichten eine Mehrschichtstreckfolie ist. Streckfolien können mehrschichtig gepreßt werden, wodurch sich die Einzelsegmente verkrallen. Dadurch lassen sich sehr leichte, aber dicke und gut verformbare Schichten herstellen. In vorteilhafter Weise werden die gepreßten Streckfolien miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise durch Löten oder Kleben geschehen. In vorteilhafter Weise wird vorgeschlagen, daß die Streckfolien PE-beschichtet (Polyethylen) sind. Dadurch kann nach dem Pressen des Streckfolienverbundes eine einfache Verklebung bewirkt werden.

Als Bleche 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 weisen 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.

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.

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. 2a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 2b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 2a;

Fig. 3a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 3b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 3a;

Fig. 4a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 4b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 4a;

Fig. 5a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 5b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 5a;

Fig. 6a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 6b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 6a;

Fig. 7a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schicht;

Fig. 7b eine schematische Schnittansicht der Schicht gemäß Fig. 7a;

Fig. 8a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer Ausführungsform eines Leichtbauelementes;

Fig. 8b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß Fig. 8a;

Fig. 9a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Leichtbauelementes;

Fig. 9b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß Fig. 9a;

Fig. 10a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Leichtbauelementes;

Fig. 10b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß Fig. 10a;

Fig. 11a eine Draufsicht auf eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Leichtbauelementes und

Fig. 11b eine schematische Schnittansicht des Leichtbauelementes gemäß Fig. 11a.

In den Figuren sind unterschiedlichste Ausführungsformen für Leichtbauelemente und dafür verwendbare Schichtelemente gezeigt.

Rein schematisch ist in Fig. 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 Fig. 2 bis 7 gezeigt. Die mit a bezeichneten Figuren zeigen regelmäßig eine Draufsicht, die mit b bezeichneten Figuren eine Schnittansicht. Bei dem in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 4a, 4b, 5a und 5b sind Stegblechausführungsformen gezeigt. Wie die Fig. 4b und 5b zeigen, unterscheiden sich diese hinsichtlich der Steghöhe. Die Stegbleche 5 und 6 bestehen aus mit Stegen versehenen Materialstreifen, die mit zueinander versetzten Stegen in Längsrichtung miteinander verbunden sind. Dadurch weist das Stegblech gute Festigkeitseigenschaften auf, ermöglicht aber auch eine Verformbarkeit in einer Richtung, die quer zur Stegausrichtung liegt. Durch die Möglichkeit, die Stege unterschiedlich hoch auszugestalten, kann dieses Stegblech zur Überbrückung größerer Höhen, das heißt zur Herstellung von Leichtbauelementen mit großen Dicken Verwendung finden.

Die Fig. 6a und 6b zeigen ungepreßte Streckfolie. Streckfolie ist eine mit einer bestimmten Schnittstruktur versehene Folie. Wie in Fig. 6b gezeigt, hat die ungepreßte Streckfolie 7 nur eine geringe Dicke. Die Verformbarkeit von Streckfolie im Verbund mit einer anderen Schicht ist excellent. Bei dem in den Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführungsbeispiel wurde eine gepreßte Streckfolie 8 durch Verpressen einer Vielzahl von Streckfolienschichten gebildet. Die Schichten verkrallen sich ineinander und können durch Löten oder Verkleben miteinander verbunden werden. Ist die Streckfolie z. B. PE- beschichtet, kann die Klebverbindung einfach durch Temperatureinwirkung hergestellt werden. Die Verformbarkeits- und Dämmeigenschaften einer derartigen Streckfolie 8 sind hervorragend. Je nach Preßverbund können auch die Festigkeitseigenschaften bestimmt werden.

In den Fig. 8 bis 11 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele für aus verschiedenen Schichten gebildeten Leichtbauelementen gezeigt. Bei dem in den Fig. 8a und 8b 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.

Bei dem in den Fig. 9a und 9b gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Leichtbauelement 10 aus zwei Lochblechen 13 und einer dazwischen angeordneten gepreßten Streckfolie 8 aufgebaut. Ein derartiges Leichtbauelement 10 hat neben guten Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften auch hervorragende akustische Dämmeigenschaften.

Ein ähnliches Leichtbauelement mit verbesserten Festigkeitseigenschaften ist in den Fig. 10a und 10b 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.

Dies gilt auch für das in den Fig. 11a und 11b gezeigte Ausführungsbeispiel. Das Leichtbauelement 12 ist aus insgesamt fünf Schichten aufgebaut. Zwischen einem glatten Blech 1 und einem Lochblech 13 ist eine gepreßte Streckfolie 8 angeordnet. Das Leichtbauelement 12 hat damit sehr gute Verformbarkeits- und Festigkeitseigenschaften und darüber hinaus 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. Beispielsweise können die seitlichen Flanken der Noppen eines Noppenbleches mit Löchern versehen sein. Derartige gelochte Noppenbleche weisen sehr gute akustische Dämmeigenschaften auf, beispielsweise in Kombination mit einem abdeckenden Lochblech.

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

Bezugszeichenliste

1 glattes Schichtelement
2 strukturiertes Schichtelement
3 gerundetes Noppenblech
4 eckiges Noppenblech
5 flaches Stegblech
6 hohes Stegblech
7 ungepreßte Streckfolie
8 gepreßte Streckfolie
9 Leichtbauelement
10 Leichtbauelement
11 Leichtbauelement
12 Leichtbauelement
13 Lochblech

Claims (17)

1. Leichtbauelement, 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.

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 (5, 6) 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 (3, 4) 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 Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie eine Streckfolie (7, 8) ist.

10. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Mehrschichtstreckfolie (8) ist.

11. Leichtbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckfolien (7, 8) gepreßt sind.

12. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckfolien miteinander verbunden sind.

13. Leichtbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckfolien wenigstens teilweise mit Haftmitteln, beispielsweise PE- beschichtet sind.

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

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

16. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Schweißen miteinander verbunden sind.

17. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Kleben miteinander verbunden sind.