DE102014004963B4

DE102014004963B4 - Kern für Sandwichbauteile und Sandwichbauteil

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Publication number: DE102014004963B4
Application number: DE102014004963.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: DE102014004963A1; DE202014002924U1

Abstract

Kern für Sandwichbauteile, wobei der Kern (1) mindestens zwei gefaltete Teillagen (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillagen (2) zumindest gegensinnig teilweise ineinandergreifen, die Teillagen (2) jeweils eine Dicke (x1) aufweisen, und wobei eine Dicke (X) des Kerns (1) im Bereich von ineinandergreifenden Abschnitten der Teillagen (2) geringer ist, als die Summe der Dicken (x1) der Teillagen (2), die gefalteten Teillagen (2) mindestens ein gefaltetes Zellpaar (3) umfassen, das Zellpaar (3) eine rechteckige Grundfläche (a) aufweist, wobei die Grundfläche (a) zwei rechteckige und in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnete Untereinheiten (b1, b2) aufweist und dass die Untereinheiten (b1, b2) jeweils zwei Subeinheiten (c, d oder e, f) beinhalten, die in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Richtung senkrecht zueinander verlaufen, eine der beiden Untereinheiten (b1 oder b2) derart gefaltet ist, dass sie zwei Diagonalen (g, h) ausbildet und die andere Untereinheit (b1 oder b2) derart gefaltet wird, dass sie eine Rautenstruktur (i) ausformt, das Zellpaar (3) derart gefaltet ist, dass zwischen den beiden Untereinheiten (b1 und b2) eine Knickkante (j), zwischen den Subeinheiten (c, d) eine Knickkante (k), zwischen den Subeinheiten (e, f) eine Knickkante (l) entsteht und die Knickkanten (j, k, l) in die Richtung einer Hauptfläche (A oder B) gerichtet sind und dass die beiden Diagonalen (g, h) und die Rautenstruktur (i) in die Richtung der anderen Hauptfläche (A oder B) gerichtet sind, die Teillagen derart ineinandergreifen, dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der einen Teillage in Richtung Kernmitte ausgeformt ist und dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der anderen Teillage ebenfalls in Richtung Kernmitte ausgeformt ist.

Description

Mehrschichtige Leichtbaustrukturen umfassend einen Kern, der zwischen zwei Deckschichten angeordnet ist, werden üblicherweise als Sandwichstrukturen oder Sandwichbauteile bezeichnet und sind im Stand der Technik bekannt. Sie zeichnen sich durch ein besonders geringes Gewicht bei gleichzeitig relativ hoher Festigkeit aus und haben deshalb eine weite Verbreitung auf zahlreichen Anwendungsgebieten gefunden. Es ist bekannt, für die Herstellung von Sandwichbauteilen spezielle Kerne zu verwenden. Beispielsweise werden für diese Kerne Werkstoffe wie Papier, Pappe, Kunststoff, Schaumstoff oder Holz eingesetzt. Außerdem können die Kerne je nach Anwendungsgebiet verschieden geformt sein, bekannt sind z. B. Wellenstrukturen der Wellpappe oder Wabenkernstrukturen. Der Nachteil bekannter Sandwichplatten ist, dass diese nur gering verformbar sind und eine Herstellung von stark gebogenen Formteilen nicht ermöglichen. Selbst relativ biegsame Wellpappen mit einem S-förmigen Kern sind nur in eine Richtung flexibel verformbar und zwar in Richtung der Wellen, wohingegen sie in Richtung quer zum Wellenverlauf steif sind.
WO 2009/127460 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines beidseitig mit Deckschichten versehenen Kernverbundes. Der Kernverbund umfasst einen Faltwabenkern, der so gefaltet ist, dass parallel zu den Deckschichten verlaufende drainagefähige Kanäle entstehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kern für Sandwichbauteile zur Verfügung zu stellen, mit dem stabile und dennoch flexibel verformbare Sandwichbauteile herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Kern für Sandwichbauteile nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Kern für Sandwichbauteile vorgeschlagen, der mindestens zwei gefaltete Teillagen umfasst, wobei die gefalteten Teillagen zumindest teilweise ineinandergreifen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen und dargestellten Abbildungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kerns für ein Sandwichbauteil in einer perspektivischen Darstellung;
2 eine schematische Darstellung zweier Teillagen eines Kerns für ein Sandwichbauteil in einer perspektivischen Darstellung, sowie die schematische Darstellung einer Möglichkeit, diese Teillagen so anzuordnen, dass sie ineinandergreifen, ebenfalls perspektivisch dargestellt;
3 eine schematische Darstellung eines Zellpaares in einer perspektivischen Darstellung und eine schematische Darstellung eines möglichen Faltmusters in Draufsicht, mit dem ein solches Zellpaar gefaltet werden kann, sowie eine schematische Darstellung der einzelnen Teile des Faltmusters in Draufsicht;
4 eine schematische Darstellung eines Sandwichbauteils mit einem Kern in einer perspektivischen Darstellung;
5 eine schematische Darstellung möglicher Faltmuster in unterschiedlichen Ausführungsformen in Draufsicht;
6 eine schematische Darstellung eines Faltmusters in Draufsicht umfassend mehrere aneinander angrenzende Zellpaare;
7 eine schematische Darstellung zweier Teillagen (eines Kerns) im Profilschnitt;
8 eine schematische Darstellung zweier Teillagen, die miteinander verbunden sind und eine größere Teillage ausbilden;
9 eine schematische Darstellung von vier Teillagen, die miteinander verbunden sind und eine größere Teillage ausbilden;
10 eine schematische Darstellung von zwei größeren Teillagen, die jeweils vier kleinere Teillagen umfassen, und einen Kern ausbilden;
11 eine schematische Darstellung einer Teillage, die mit einem Kern, umfassend zwei Teillagen, verbunden ist;
12 eine schematische Darstellung einer Teillage, die mit einem Kern, umfassend zwei Teillagen, verbunden ist;
13 eine schematische Darstellung zweier Teillagen, die miteinander verbunden sind und einen in sich geschlossenen Kern ausbilden;
14 eine schematische Darstellung von drei Teillagen, die so miteinander verbunden sind, dass sie einen Doppelhohlkammer-Kern ausbilden;
15 eine schematische Darstellung von drei Teillagen, die so miteinander verbunden sind, dass sie einen T-Kern ausbilden;
16 eine schematische Darstellung einer Teillage, die so mit sich verbunden ist, dass sie einen T-Kern ausbildet;
17 eine schematische Darstellung von vier Teillagen, die so miteinander verbunden sind, dass sie einen Kreuz-Kern ausbilden;
18 eine schematische Darstellung einer Teillage, die so mit sich verbunden ist, dass sie einen Kreuz-Kern ausbildet;
19 eine schematische Darstellung von fünf Teillagen; die so miteinander verbunden sind, dass sie einen Kreuzhohlkern ausbilden; und
20 eine schematische Darstellung von vier Teillagen, die so miteinander verbunden sind, dass sie einen doppelten T-Kern ausbilden.

1 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau eines Kerns 1 für ein Sandwichbauteil 4. Der Kern 1 kann ein Material umfassen wie Papier, Pappe, Holz, Metall z. B. Bleche, Kunststoffe z. B. Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, Kunstharze, Gewebe aus Naturfasern, Faserwerkstoffe, z. B. Glas-, Metall-, Basalt-, Kasein-, Keramik-, Kohle-, Aramid-, Acryl-, Polyethylen-, Polypropylen-, Polyester-, Polyamidfasern, Vlieswerkstoffe, Gelege, Folien, z. B. Metall- oder Glasfolien, elektrisch leitende Materialien und/oder Kombinationen davon. Das Material des Kerns 1 kann perforiert sein.
Das Material des Kerns 1 kann zumindest teilweise behandelt oder beschichtet sein, beispielsweise kann es imprägniert sein. Geeignete Imprägniermittel sind im Stand der Technik bekannt, z. B. können diese Imprägnierungsmittel auf Paraffin-, Wachs-, Kunstharz- oder Silikonbasis hergestellt sein.
Das Material des Kerns 1 besitzt eine Dicke von 0,05 bis 1000 mm, vorzugsweise 0,10 bis 100 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 50 mm.
Der Kern 1 besitzt eine Gesamtdicke von 1 bis 10000 mm, bevorzugt 5 bis 1000 mm, besonders bevorzugt 10 bis 100 mm.
Der erfindungsgemäße Kern 1 eignet sich für Leichtbaukonstruktionen in Sandwichbauweise, die sowohl stabil als auch formbar sein sollen. Durch die gefaltete dreidimensionale Struktur ist der gesamte Kern 1 äußerst flexibel verformbar und kann leicht an formgebende Oberflächen angepasst werden. Auf diese Weise lassen sich auch komplizierte Geometrien wie beispielsweise Kugeln auf einfache Art und Weise herstellen.
2 zeigt exemplarisch zwei gefaltete Teillagen 2 eines Kerns 1 für ein Sandwichbauteil 4. Der Kern 1 umfasst mindestens zwei gefaltete Teillagen 2, die zumindest teilweise ineinandergreifen und die jeweils eine Dicke x1 aufweisen. Die Dicke des Kerns X ist im Bereich von ineinandergreifenden Abschnitten der Teillagen 2 geringer, als die Summe der Dicken x1 der Teillagen 2. Ineinandergreifende Abschnitte verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Dicke der Teillagen 2 kann quer zu deren Ausbreitungsrichtung bemessen sein. Die Teillagen 2 greifen derart ineinander, dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der einen Teillage 2 in Richtung Kernmitte ausgeformt ist und dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der anderen Teillage 2 ebenfalls in Richtung Kernmitte ausgeformt ist. In anderen Worten greifen die Teillagen 2 gegensinnig ineinander und bilden auf diese Weise einen gefalteten Kern 1 aus. Vorzugsweise sind die Teillagen 2 gegensinnig ineinandergesteckt. Durch die sich wiederholende Faltstruktur können Kerne 1 durch flächiges In- bzw. Aneinanderstecken endlos vergrößert werden. Des Weiteren bietet die dreidimensionale und flexibel verformbare Faltstruktur die Möglichkeit, eine oder mehrere Teillagen 2 zu Kernen 1 anzuordnen, die verschiedene Querschnitte aufweisen können („Profilkerne“). Die Teillagen 2 können hierbei parallel, aber auch trapezförmig und/oder konisch zueinander angeordnet sein.
Die Teillagen 2 können an einer oder an mehreren Verbindungsstellen miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Verklebung oder Verschweißung, wodurch stabile Verbindungsstellen erzeugt werden können.
Es ist möglich, eine Teillage 2 mit einer Deckschicht zu verbinden, um ein einschichtiges Formteil zu generieren.
Obwohl in der Darstellung von 1 und 2 zwei Teillagen 2 übereinander angeordnet sind, die den erfindungsgemäßen Kern 1 ausbilden, kann der Kern 1 in anderen Beispielen auch mehr als zwei gefaltete übereinander angeordnete Teillagen 2 umfassen.
Die Teillagen 2 können aus einem Material bestehen ausgewählt aus der Gruppe Papier, Pappe, Karton, Gewebe und Vlies. Des Weiteren können die Teillagen 2 auch aus Verbundmaterialien aufgebaut sein. Die Materialien der Teillagen 2 können spezielle Eigenschaften aufweisen, z. B. können sie elektrisch leitfähig sein.
Zwischen den Teillagen 2 ist ein Zwischenraum vorhanden, der aufgrund des Ineinandergreifens der gefalteten Teillagen 2 entsteht und welcher die späteren Hohlräume in der aus dem Kern 1 ausbildbaren Sandwichstruktur 4 ausbildet. Diese Zwischenräume können zumindest teilweise gefüllt werden.
Die Teillagen 2 umfassen mindestens ein gefaltetes Zellpaar 3. Werden mehrere Zellpaare 3 nebeneinander angeordnet, ergibt sich ein in 6 schematisch dargestelltes Muster, welches unbegrenzt erweiterbar ist durch Aneinanderfügen weiterer Zellpaare 3.
In einer Teillage 2 liegen einzelne oder alle gefalteten Zellpaare 3 vorzugsweise zumindest teilweise aneinander an. Die Zellpaare 3 können miteinander verklebt oder in anderer Weise aneinander befestigt sein.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zellpaares 3. Um die Art und Weise der Faltung des Zellpaares 3 darzustellen, ist in 3 außerdem eine schematische Darstellung eines möglichen Faltmusters des Zellpaares 3 in Draufsicht dargestellt. Dieses Faltmuster ist außerdem anhand seiner einzelnen Teile dargestellt, welche zum vereinfachten Verständnis mit den Bezugszeichen a bis j und in stärkeren Linien gekennzeichnet sind. Nimmt man die einzelnen Teile a bis j zusammen, ergibt sich das in 3 mittig dargestellte Faltmuster.
Das Zellpaar 3 weist eine rechteckige Grundfläche a auf, wobei die Grundfläche a zwei rechteckige und in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnete Untereinheiten b1, b2 aufweist und die Untereinheiten b1, b2 jeweils zwei Subeinheiten c, d oder e, f beinhalten, die in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Dabei verlaufen die erste und die zweite Richtung senkrecht zueinander.
Eine der beiden Untereinheiten b1 oder b2 ist derart gefaltet, dass sie zwei Diagonalen g, h ausbildet und die andere Untereinheit b1 oder b2 ist derart gefaltet, dass sie eine Rautenstruktur i ausformt.
Das Zellpaar 3 ist derart gefaltet, dass zwischen den beiden Untereinheiten b1 und b2 eine Knickkante j, zwischen den Subeinheiten c, d eine Knickkante k, zwischen den Subeinheiten e, f eine Knickkante I entsteht und die Knickkanten j, k, l in die Richtung einer Hauptfläche A oder B gerichtet sind und dass die beiden Diagonalen g, h und die Rautenstruktur i in die Richtung der anderen Hauptfläche A oder B gerichtet sind. Mit anderen Worten werden die Knickkanten j, k, l in genau die entgegengesetzte Richtung wie die beiden Diagonalen g, h und die Rautenstruktur i gefaltet.
Eine schematische Darstellung möglicher Faltmuster eines Zellpaares 3 in unterschiedlichen Ausführungsformen in Draufsicht ist in 5 dargestellt. In der ersten dargestellten Ausführungsform ergibt sich die Faltung der Untereinheiten b1 und b2 des Zellpaares 3 aus vier gleichschenkligen Dreiecken und acht rechtwinkligen Dreiecken, wobei die Fläche jedes dieser rechtwinkligen Dreiecke nur halb so groß ist wie die Fläche jeden gleichschenkligen Dreiecks. In anderen Ausführungsformen können die Dreiecke auch spitzwinklig oder stumpfwinklig sein (5 Mitte und unten). Mehrfach aneinander angrenzende Faltmuster von gleichen Zellpaaren 3 ergeben ein Faltmuster nach 6.
4 zeigt schematisch ein Sandwichbauteil 4 mit einem Kern 1, welcher zwischen zwei Deckschichten angeordnet ist. Zur Erzielung einer hohen Flexibilität ist der Kern 1 des Sandwichbauteils 4 bevorzugt in einer Faltstruktur aufgebaut. Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Faltstruktur. Das Sandwichbauteil 4 umfasst mindestens zwei Deckschichten sowie einen zwischen diesen Deckschichten angeordneten Kern. Der Kern 1 ist in dem in 4 gezeigten Beispiel gefaltet und umfasst zwei gefaltete Teillagen 2, die (wie in 2 dargestellt) so angeordnet sind, dass sie ineinandergreifen.
Die Deckschichten können aus einem Material bestehen ausgewählt aus der Gruppe Papier, Pappe, Metall, Glas, Stein, Beton, Zement, Keramik und Kunststoffe und/oder Kombinationen davon. Des Weiteren können die Deckschichten auch aus Verbundmaterialien aufgebaut sein. Die Materialien der Deckschichten können verstärkt sein. Die Deckschichten können zumindest teilweise behandelt sein, beispielsweise imprägniert.
Der Verbund zwischen dem Kern 1 und den Deckschichten in dem Sandwichbauteil 4 kann durch bekannte Verbindungstechniken hergestellt werden, beispielweise durch Klebeverbindungen, Schweißverfahren, Löten, mechanische Verbindung, z. B. durch Schrauben, Nieten oder Schnappverbindungen.
Das Sandwichbauteil 4 kann in den unterschiedlichsten Bereichen Anwendung finden, beispielsweise im Flugzeug-, LKW-, Schienenfahrzeug-, Wasserfahrzeug-, Container-, Windkraftanlagen-, Möbel- und Hausbau.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines gefalteten Kerns 1 für Sandwichbauteile 4. Die Herstellung des Kerns 1 kann dabei manuell oder maschinell erfolgen durch beispielsweise Falt-, Biege-, Stanz- und/oder Prägetechniken. Das für die Faltung des Kerns 1 verwendete Faltmuster kann mittels verschiedener Techniken auf das für den Kern 1 verwendete Material aufgebracht werden, z. B. gezeichnet, gedruckt, gestanzt.
Bezugszeichenliste

1: Kern
2: Teillagen
3: Zellpaar
a: rechteckige Grundfläche eines Zellpaares
b1+b2: rechteckige Untereinheiten von a
c+d: rechteckige Subeinheiten (von b)
e+f: rechteckige Subeinheiten (von b)
g+h: Diagonalen
i: Rautenstruktur
j: Knickkante zwischen den Untereinheiten b1+b2
k: Knickkante zwischen den Subeinheiten c+d
I: Knickkante zwischen den Subeinheiten e+f
A+B: Hauptflächen
X: Dicke des Kerns
x1: Dicke der Teillagen

Claims

Kern für Sandwichbauteile, wobei der Kern (1) mindestens zwei gefaltete Teillagen (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillagen (2) zumindest gegensinnig teilweise ineinandergreifen, die Teillagen (2) jeweils eine Dicke (x1) aufweisen, und wobei eine Dicke (X) des Kerns (1) im Bereich von ineinandergreifenden Abschnitten der Teillagen (2) geringer ist, als die Summe der Dicken (x1) der Teillagen (2), die gefalteten Teillagen (2) mindestens ein gefaltetes Zellpaar (3) umfassen, das Zellpaar (3) eine rechteckige Grundfläche (a) aufweist, wobei die Grundfläche (a) zwei rechteckige und in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnete Untereinheiten (b1, b2) aufweist und dass die Untereinheiten (b1, b2) jeweils zwei Subeinheiten (c, d oder e, f) beinhalten, die in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Richtung senkrecht zueinander verlaufen, eine der beiden Untereinheiten (b1 oder b2) derart gefaltet ist, dass sie zwei Diagonalen (g, h) ausbildet und die andere Untereinheit (b1 oder b2) derart gefaltet wird, dass sie eine Rautenstruktur (i) ausformt, das Zellpaar (3) derart gefaltet ist, dass zwischen den beiden Untereinheiten (b1 und b2) eine Knickkante (j), zwischen den Subeinheiten (c, d) eine Knickkante (k), zwischen den Subeinheiten (e, f) eine Knickkante (l) entsteht und die Knickkanten (j, k, l) in die Richtung einer Hauptfläche (A oder B) gerichtet sind und dass die beiden Diagonalen (g, h) und die Rautenstruktur (i) in die Richtung der anderen Hauptfläche (A oder B) gerichtet sind, die Teillagen derart ineinandergreifen, dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der einen Teillage in Richtung Kernmitte ausgeformt ist und dass die Faltung der Diagonalen und der Rautenstruktur der anderen Teillage ebenfalls in Richtung Kernmitte ausgeformt ist.
Kern nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) eine Gesamtdicke von 1 bis 10000 mm, bevorzugt 5 bis 1000 mm, besonders bevorzugt 10 bis 100 mm besitzt.
Kern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillagen (2) aus einem Material bestehen, ausgewählt aus der Gruppe Papier, Pappe, Karton, Kunststoffe, Gelege, Blech, Gewebe, Vlies und/oder Kombinationen davon.
Sandwichbauteil (4) aus mindestens zwei Deckschichten sowie einem zwischen diesen Deckschichten angeordneten Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Sandwichbauteil (4) nach Anspruch 4, wobei die Deckschichten aus einem Material bestehen, ausgewählt aus der Gruppe Papier, Pappe, Metall, Glas, Stein, Beton, Zement, Keramik, Kunststoffe und/oder Kombinationen davon.