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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kernschicht eines Leichtbauelementes sowie ein Leichtbauelement mit einer Kernschicht nach diesem Verfahren.
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Im Stand der Technik sind Leichtbaukomponenten bekannt, die zur Einsparung von Masse und damit Gewicht üblicherweise als eine Sandwich-Struktur ausgebildet werden, die einen Kern aufweist, der auf seinen Außenflächen mit geeigneten Deckschichten versehen ist. Der Kern kann unterschiedliche Gefügestrukturen aufweisen und auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt werden, wobei die Gefügestruktur eine Honigwabenstruktur (honeycombs) aufweisen kann. Für die Befestigung von Anbauteilen an derartigen Sandwichbauteilen ist es erforderlich, dass separate Funktionselemente, wie beispielsweise Gewinde, Schrauben oder Passungen in die Kernstruktur nachträglich montiert werden müssen.
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Insbesondere bei Kernstrukturen, die eine Wabenstruktur aufweisen, ist es schwierig und mit einem hohen Aufwand verbunden, das Funktionselement mit einer ausreichenden Festigkeit in der Wabenstruktur zu befestigen. So sind mehrere Arbeitsschritte notwendig, um Funktionselemente in der Wabenstruktur des Sandwichbauteils so zu befestigen, dass eine ausreichende Befestigung des jeweiligen Funktionselements sichergestellt werden kann, die den jeweiligen Anforderungen genügt, wie sie in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Bauwerken vorliegen. Der hohe Arbeitsaufwand ist vor allem dann von Bedeutung, wenn große Stückzahlen derartiger Leichtbauelemente mit Sandwichstruktur, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, herzustellen sind.
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Bisher werden die Funktionselemente in die Sandwichstruktur nach dem Fertigstellen der Kernstruktur des Leichtbauelementes in der Wabenstruktur eingebracht. Hierbei wird in einem ersten Schritt an der Deckschicht der Sandwichstruktur, an denen Funktionselemente platziert werden sollen, Material durch Bohren oder Fräsen abgetragen, so das eine entsprechende Aufnehmung in der Sandwichstruktur ausgebildet ist, die in die Wabenstruktur reicht und zur Aufnahme des Funktionselementes geeignet ist. Beim nächsten Schritt wird die offengelegte Wabenstruktur mit einem Füllstoff, wie beispielsweise Harz, aufgefüllt, so dass an dieser Position eine Ausnehmung für das Funktionselement ausgebildet werden kann. In einem letzten Schritt wird nach dem Aushärten des Füllstoffes eine Bohrung ausgebildet und das Funktionselement in die aufgefüllte Lücke eingebracht und ggf. mit einem geeigneten Klebemittel fixiert.
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Das oben aufgeführte Verfahren zur Einbringung des Funktionselementes in der Sandwichleicht-Gefügestruktur ist besonders arbeitsintensiv und zeitaufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Kernschicht eines Leichtbauelementes anzugeben, das die Kombination mit Funktionselementen oder -abschnitten erleichtert und den hierfür erforderlichen Zeitaufwand verringert. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Leichtbauelement mit einer entsprechenden Kernschicht anzugeben.
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Die vorgenannte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Leichtbauelementes wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen nach Patentanspruch 13 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kernschicht eines Leichtbauelementes weist die Kernschicht einen Tragabschnitt und einen Funktionsabschnitt auf, die zusammen, d. h. gemeinsam in einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren ausgebildet werden. D. h., in Verbindung mit der insbesondere generativen Erzeugung des Bauteils (Kernschicht eines Leichtbauelementes, die auch bereits das endgültige Leichtbauelement selbst bilden kann) wird auch der Funktionsabschnitt, z. B. eine Gewindebohrung od. dgl. ausgebildet, z. B. durch Aufschmelzen einer Pulvermaterialschicht.
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Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Arbeitsschritte zum Einbringen des Funktionsabschnittes in der Kernschicht des Leichtbauelementes erforderliche sind, wodurch eine schnellere, effizientere Herstellung des Leichtbauelementes möglich ist.
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Durch das gleichzeitige Herstellen von Tragabschnitt (Bauteil) und Funktionsabschnitt (z. B. Befestigungsbohrung) der Kernschicht des Leichtbauelementes ist es außerdem nicht mehr erforderlich, beim Befestigen eines Funktionselementes in einem Funktionsabschnitt in der Kernschicht Haftmittel, wie Klebstoffe anzuwenden.
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Der Funktionsabschnitt kann vorzugsweise derart ausgestaltet werden, dass ein Funktionselement, wie eine Hülse, ein Lagerbolzen, ein Lagerelement od. dgl. in den Funktionsabschnitt nachträglich eingepresst werden kann.
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Durch das Vermeiden einer Klebeverbindung können Materialien eingesetzt werden, die sonst aufgrund ihrer Reaktion mit Klebstoffen in ihrer Festigkeit beeinträchtigt worden wären oder zu unerwünschten chemischen Reaktionen Veranlassung gäben. Zusätzlich ergibt sich durch die gleichzeitige Ausbildung des Funktionsabschnittes aus dem Tragabschnitt der Kernschicht der Vorteil, dass beim Recyceln der Kernschicht des Leichtbauelementes weniger Elemente anfallen, die getrennt werden müssen, so dass das Recyceln des Leichtbauelementes einfacher und günstiger durchgeführt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, den Funktionsabschnitt in der Gestalt eines Funktionselements auszubilden, so dass die Kernschicht ohne eine Trennung recycelt werden kann.
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Bei dem Funktionsabschnitt handelt es sich vorzugsweise um einen in der Kernschicht des Leichtbauelementes ausgebildeten Abschnitt, der spezielle Funktionen, die über diejenigen des Bauteiles, d. h. die Kernschicht/das Leichtbauelement konstituierende Funktionen (Tragabschnitt oder Matrixkörper) hinausgehen, beispielsweise die Funktionen eines Gewindes, einer Hülse und/oder einer Passung zum Befestigen von Anbauteilen, von Führungen und/oder eines Lagers ausführen kann. Der Funktionsabschnitt und die ihm zugeordnete Funktion werden vorzugsweise bei der Herstellung der Kernschicht ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich den Funktionsabschnitt als einen Bereich auszubilden, der stofflichschlüssig mit dem Tragabschnitt verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass eine Nachbearbeitung zum Einbringen eines Funktionselementes mit den oben genannten Funktion möglich ist, beispielsweise durch Bohren, Umformen etc. Der Bereich kann z. B. ein Zapfen, auch aus einem anderen Material als der Tragabbschnitt, ausgebildet werden. Beispielsweise kann der Zapfen aus einem Material ausgebildet werden, das eine höhere Festigkeit aufweist als das Material, aus dem der Tragabschnitt ausgebildet ist. Durch das generative oder additive Fertigungsverfahren wird jedoch sichergestellt, dass ein kraftübertragender (kraftschlüssiger) und/oder stoffschlüssiger (stofflich einstückiger) Verbund zwischen der Tragschicht und dem Bereich des Funktionsabschnittes, z. B. Zapfen (oder auch Ausnehmung) ausgebildet wird.
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Vorzugsweise wird der Funktionsabschnitt schichtweise mit der Kernschicht hergestellt, wobei der Funktionsabschnitt als ein Vollquerschnitt oder ein Hohlquerschnitt mit einem Krafteinleitungsabschnitt ausgebildet wird, der den Tragabschnitt integral einstückig (stoffschlüssig) mit dem Funktionsabschnitt verbindet.
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Unter einem Vollquerschnitt wird vorzugsweise ein Abschnitt in der Kernschicht des Leichtbauelementes verstanden, der im Wesentlichen keine Hohlräume aufweist, sondern zur Ausbildung einer Bohrung, einer Vertiefung und/oder eines Sackloches geeignet ist. Unter einem Hohlquerschnitt wird vorzugsweise ein Abschnitt in der Kernschicht des Leichtbauelementes verstanden, der in der Form einer Bohrung, eines Sackloches oder eines Gewindeabschnittes ausgebildet ist.
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Die schichtweise Ausbildung des Funktionsabschnitts ergibt sich vorzugsweise aus dem verwendeten additiven oder generativen Fertigungsverfahren.
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Ein Krafteinleitungsabschnitt verbessert die Krafteinleitung und Verteilung von Kräften, die beispielsweise bei der Montage des Leichtbauelementes/der Kernschicht auftreten können, um das Leichtbauelement/die Kernschicht, z. B. an einem Fahrzeug, einem Flugzeug oder z. B. einem Bauwerk betriebssicher festzuhalten.
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Vorzugsweise wird der Funktionsabschnitt integral einstückig (stoffschlüssig) mit dem Tragabschnitt ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass ein kraftschlüssiger Verbund zwischen dem Funktionsabschnitt und dem Tragabschnitt ausgebildet werden kann, und die Matrix (Grundstruktur) des Bauteiles, hier der Kernschicht des Leichtbauelementes bzw. des Leichtbauelementes nicht durch spätere Eingriffe gestört oder geschwächt wird.
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Vorzugsweise wird der Funktionsabschnitt als ein Lagerelement, ein Führungselement, eine Hülse, ein Gewinde und/oder ein Aufnahmeabschnitt ausbildet. Der Funktionsabschnitt ist als ein Montageabschnitt herstellbar, in dem unterschiedliche Montagemittel, wie Schrauben, Bolzen, Nieten etc. form- und/oder kraftschlüssig montierbar sind, ohne dass hierfür zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um einen sicheren Verbund zwischen dem Funktionsabschnitt und dem Montagemittel vorzusehen. Hiefür bildet der Funktions- oder Aufnahmeabschnitt einen Krafteinleitungsabschnitt aus, der kraftschlüssig mit dem Tragabschnitt verbunden ist.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Ausbilden des Aufnahmeabschnittes ein Funktionselement, insbesondere ein Einbaustück, in den Aufnahmeabschnitt kraftschlüssig und/oder formschlüssig eingebracht. Unter einem Funktionselement oder Einbaustück ist hierbei vorzugsweise ein Halbzug wie eine Gewindehülse, eine Schraubverbindung, ein Lager, eine Führung etc. zu verstehen, die nachträglich in das Leichtbauelement eingebracht werden können, ohne dass hierbei der empfindliche Tragabschnitt beeinträchtigt wird, wobei der Aufnahmeabschnitt einen Krafteinleitungsabschnitt aufweist, der kraftschlüssig mit dem Tragabschnitt verbunden ist, so dass eine sicher Krafteinleitung der an dem Aufnahmeabschnitt wirkenden Kräfte in den Tragabschnitt sichergestellt ist. Bei den Funktionselementen kann es sich um Lagerelemente, Führungselemente, Kammerhülsen, Gewinde und ähnliche Bauteile handeln, die separat zu der Kernschicht ausgebildet worden sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Gewinde um ein handelsübliches Gewindeelement handeln. Unter einem Lagerelement, einem Führungselement, einer Hülse oder einem Gewinde sind vorzugsweise Vorrichtungen zu verstehen, die zur Montage besonderer Anbauteile wie Griffe, Lampen usw. ausgebildet sind, und/oder die eine Montage weiterer Leichtbauelemente bzw. eine Verbindung mehrer Leichtbauelemente oder von mehreren Kernschichten ermöglichen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Einbringen des Funktionselementes eine Bohrung in dem Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme des Funktionselementes ausgebildet. Bei dem Aufnahmeabschnitt handelt es sich bevorzugt um einen Funktionsabschnitt, der als Vollquerschnitt ausgebildet ist, der zur Aufnahme spezieller Einbaustücke vorgesehen ist, wobei in dem Aufnahmeabschnitt ggf. vorher eine Bohrung ausgebildet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Funktionselemente in den Aufnahmeabschnitt ohne eine wesentliche Zerstörung eingebracht werden können. Ohne eine solche Bohrung können die Funktionselemente in den Aufnahmeabschnitt eingepresst werden, wenn der Aufnahmeabschnitt aus einem dafür geeigneten Material ausgebildet worden ist.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Ausbilden der Kernschicht an zumindest einer der Seiten der Kernschicht, vorzugsweise entlang einer Hauptoberfläche der Kenrschicht, eine Deckschicht aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass die Deckschicht die Kernschicht schützt und ferner einen Beitrag zur Tragfestigkeit der Kernschicht leisten kann. Ferner kann die Deckschicht eine zusätzliche Tragfunktion übernehmen und die Festigkeit des Leichtbauelementes erhöhen. Vorzugsweise wird die Kernschicht sandwichartig beiderseits mit einer Deckschicht versehen.
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Nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Deckschicht/werden die Deckschichten mittels eines zweiten generativen Fertigungsverfahrens ausgebildet und/oder mittels eines Haftverbinders, insbesondere Klebemittels als externe Deckschicht auf der/den Außenseite(n) der Kernschicht angebracht. Dies hat den Vorteil eines engen kraft- oder stoffschlüssigen Verbundes zwischen Kernschicht und Deckschicht. Es sind jedoch auch andere Befestigungen zwischen der Deckschicht/den Deckschichten und der Kernschicht möglich. Hierfür können beispielsweise auch die in der Kernschicht ausgebildeten Funktionsabschnitte dienen, über die beispielsweise mittels einer Schraubenverbindung die Deckschicht(en) an die Kernschicht angeschraubt werden kann (können). Eine oder mehrere Deckschichten können auch zwischen Kernschichten (Sandwichverbund) angeordnet sein.
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Vorzugsweise kann die Deckschicht oder können beide Deckschichten aus einem textilen Material und/oder faserverstärkte Kunststoffmaterial ausgebildet sein. Bei der Deckschicht kann es sich jedoch auch um andere Materialien handeln. Vornehmlich dient/dienen die Deckschicht(en) einer äußeren Abdeck- und/oder Schutzfunktion, um die Kernschicht vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen, so dass die Tragfähigkeit bzw. Struktur der Kernschicht nicht gefährdet ist. Die Deckschicht kann mit Verstärkungsmitteln verstärkt sein, so dass hierdurch die Festigkeit des Verbundes mit der Kernschicht erhöht wird und das Leichtbauelement die gewünschte Festigkeit durch das Zusammenwirken der auf gegenüberlegenden Seiten der Kernschicht mit dieser verbundenen Deckschichten erzielt wird. Die Deckschichten beiderseits der Kernschicht können auch aus unterschiedlichen Materialien und/oder Deckschichten unterschiedlicher Schichtdicke bestehen.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kernschicht zumindest teilweise mit einer mesoskopische Struktur ausgebildet, d. h. einer Gefügestruktur, die Abmessungen im Nanomenter- bis Zentimeterbereich aufweist. Dies kann das gesamte Leichtbauelement oder aber auch nur Abschnitte des Tragabschnittes und/oder des Funktionsabschnittes, d. h. der Kernschicht, des Leichtbauelementes betreffen. Eine solche mesoskopische Struktur kann eine beliebige makroskopische Struktur aufweisen, z. B. waben- oder gitterförmig sein. Die mesoskopische Struktur muss keine tragende Schicht sein. Die mesoskopische Struktur der Kernschicht kann mit weiteren Schichten zusammenwirken, so dass diese Schichten gemeinsam als tragende Schichten wirken.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mesoskopische Struktur vorzugsweise dreieckförmig, wabenförmig, oval, kreisförmig oder rechteckig als geschlossen-offenporiges Schaumkörpergefüge ausbildet. Dies hat den Vorteil, dass ein besonders leichtes und dennoch tragfähiges Bauteil bereitgestellt werden kann.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das generative oder additive Fertigungsverfahren ein 3D-Printing-Verfahren, ein Contur-Crafting-Verfahren (CC-Verfahren), ein Elektronenstrahlschmelz-Verfahren (EBM-Verfahren), ein Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren), ein Laminated-Object-Verfahren (LOM-Verfahren), ein Laserauftragsschweiß-Verfahren (LENS-Verfahren), ein Multi-Jet-Modeling-Verfahren (MJM-Verfahren), ein Polyamidguß-Verfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM-Verfahren), ein selektives Lasersinternverfahren (SLS-Verfahren), ein Space-Puzzle-Moulding-Verfahren (SPM-Verfahren), ein Stereolithografie-Verfahren (STL-Verfahren), und/oder ein Streifenlichtscanning-Verfahren ist. Zur Herstellung der Kernschicht eines Leichtbauteiles bzw. der Leichtbauteile können jedoch auch andere additive oder generative Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass diese additiven oder generativen Fertigungsverfahren zur Ausbildung einer Kernschicht mit Funktionsabschnitt geeignet sind. Für diese Verfahren sind keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben, wie es beispielsweise bei Gussformen der Fall ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Leichbauelement geschaffen, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
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Das Leichtbauelement weist eine Kernschicht auf, die einen Tragabschnitt und einen im Tragabschnitt integrierten Funktionsabschnitt aufweist, der stofflich einstückig mit dem Tragabschnitt ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass das Recyceln des erfindungsgemäßen Leichtbauelementes, das die erfindungsgemäße Kernschicht aufweist, einfacher durchgeführt werden kann. Die Tragschicht weist bevorzugt eine solche Struktur auf, die zu einem besonders geringen Gewicht führt.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leichtbauelementes ist die Kernschicht als eine mesoskopische Struktur ausgebildet.
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Vorzugsweise bildet die mesoskopische Struktur eine dreieckförmige, wabenförmige, ovale, kreisförmige, und/oder rechteckige Struktur und/oder ein geschlossenes- oder offenporiges Schaumkörpergefüge.
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Vorzugsweise weist das Leichtbauelement sandwichartig die Kernschicht und eine (vorzugsweise beidseitig) darauf angebrachte Deckschicht auf. Durch die sandwichartige Gestaltung des Leichtbauelementes kann durch das Zusammenwirken der einzelnen Schichten eine leichtes und dennoch tragfähiges Leichtbauelement bereitgestellt werden. Ferner ist ein Recyceln eines sandwichartig aufgebauten Leichtbauelementes leichter, da ein Trennen der einzelnen Schichten einfacher durchgeführt werden kann, wenn jede Schicht (oder die Deckschichten in Bezug auf die Kernschicht) aus einem eigenen Material ausgebildet ist und die Materialien nicht untereinander nicht vermischt sind.
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Vorzugsweise sind die Deckschichten aber materialgleich zur Kernschicht bzw. bildet die Kernschicht selbst (ohne Deckschichten oder unter nur geringer Ausbildung derselben) das Leichtbauelement aus.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine Kernschicht nach einem ersten Ausführungsbeispiel in Schnittdarstellung gemäß Schnitt A-A von 7 mit Gewinde-Grundbohrung als Funktionsabschnitt,
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2 die Kernschicht nach 1 mit Gewinde-Grundbohrung als Funktionsabschnitt als Leichtbauteil mit beiderseits derselben angebrachten Deckschichten,
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3 ein Leichtbauteil ähnlich der Ausführung nach 2, mit Kernschicht und beiderseitigen Deckschichten, wobei der Funktionsabschnitt als Durchgangsöffnung ausgebildet ist,
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4 eine Kernschicht mit beiderseitigen Deckschichten als Leichtbauteil und einem Funktionsabschnitt als Vollquerschnitt zum Einbringen eines Einbaustücks, Inserts oder Halbzeuges nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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5 die Kernschicht als Leichtbauelement nach 4, wobei ein Einbaustück in den Vollquerschnitt in der eingebrachten Endposition dargestellt ist,
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6 eine Kernschicht als Leichtbauelement nach 1 in Draufsicht,
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7 eine Kernschicht als Leichtbauelement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel in Draufsicht, und
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8 eine Kernschicht als Leichtbauelement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel in Draufsicht.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kernschicht 1, die zur Verwendung in Leichtbauelementen 10 (s. 2), wie sie beispielsweise im Fahrzeugbau, Flugzeugbau und/oder Bauwerken zum Einsatz kommen, vorgesehen ist, die aber auch selbst schon das fertige Leichtbauelement 10 bilden kann. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe ,Leichtbauelement' und ,Kernschicht' auch als Synonyme verwendet. Solche Leichtbauelemente 10 weisen aufgrund ihrer besonderen Gefügestruktur, mit der eine besondere Tragfestigkeit erzielbar ist, im Vergleich zu konventionellen Bauteilen ohne eine solche offene Tragwerksstruktur (Gefügestruktur) ein geringeres Gewicht auf.
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Eine solche Kernschicht 1 bzw. Leichtbauelement 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensergebnisses, wobei dieses Verfahren ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und nachfolgend noch in einem Ausführungsbeispiel erläutert wird.
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Die Kernschicht 1 weist eine mesoskopische Gefügestruktur 100 mit einem Tragabschnitt 40 und einem Funktionsabschnitt 11 auf. In 1 ist nur ein Funktionsabschnitt 11 dargestellt. Mit dem Verfahren zur Herstellung einer solchen Kernschicht kann eine beliebige Anzahl von Funktionsabschnitten 11 in der Kernschicht 1 ausgebildet werden, wobei die Lage und Ausrichtung nicht auf die in den Figuren gezeigte Anordnung des Funktionsabschnittes 11 beschränkt ist. Beispielsweise kann sich der Funktionsabschnitt 11 mit einer vorbestimmten Neigung oder Krümmung in der Kernschicht 1 bezüglich der ersten und zweiten Außenfläche 14, 15 erstrecken.
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Sowohl der Tragabschnitt 40 als auch der Funktionsabschnitt 11 sind in einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren hergestellt worden. Zu den additiven oder generativen Verfahren gehören unter anderem die Stereolithographie, das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern, das Fused-Deposition-Modeling, das Laminated-Object-Modeling, das 3D-Printing und/oder das Kaltgasspritzen. Vorteil dieser Verfahren ist das parallele Fertigen besonders kleiner und komplizierter Bauteile in größeren Stückzahlen oder der Einzelanfertigung, wobei diese Bauteile eine sehr hohe geometrische Komplexität aufweisen können. Z. B. wird ein Pulvermaterial durch Laserstrahlschmelzen gemäß einer Bauteilkonfiguration schichtweise generativ aufgrund von Daten eines CAD-Programmes aufgeschmolzen, um ein Bauteil zu erzeugen.
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Die Kernschicht 1 kann bei diesen additiven oder generativen Fertigungsverfahren aus Vorlagen von rechnerinternen Datenmodellen, mit denen die Kernschicht konstruiert worden ist, hergestellt werden. Die Datenmodelle werden bevorzugt zur Steuerung der Fertigungsvorrichtungen verwendet, die in den additiven oder generativen Fertigungsverfahren angewendet werden. Die zur Herstellung verwendeten Materialien können formlose Materialien, wie Flüssigkeiten, Pulver und ähnliches, oder formneutrale Materialen oder Halbzeuge sein, die band- oder drahtförmige Gestalt aufweisen können. Grundsätzlich können für die Herstellung der Kernschicht 1 alle Materialien verwendet werden, die in einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren verwendbar und für die vorgesehene Verwendung geeignet sind. Vorteilhafterweise können der Tragabschnitt 40 und der Funktionsabschnitt 11 aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden, so dass beispielsweise der Funktionsabschnitt 11 eine höhere Festigkeit und/oder höhere Elastizität als der Tragabschnitt 40 aufweist, wobei der Tragabschnitt 40 ein geringeres Gewicht als der Funktionsabschnitt 11 aufweist. Aufgrund des additiven oder generativen Fertigungsverfahrens, können die Materialeigenschaften der Tragschicht 40 und des Funktionsabschnittes 11 durch Bereitstellen unterschiedlicher Materialien jeweils auf den Einzelfall eingestellt werden. So kann beispielsweise der Tragabschnitt aus einem besonders starren Material ausgebildet werden, während der Funktionsabschnitt 11 aus einem hierzu vergleichsweise elastischen Material ausgebildet ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Kernschicht 1 ist der Funktionsabschnitt oder Montageabschnitt 11 als eine Ausnehmung 18 in Gestalt eines Sackloches 12 mit einem Gewindeabschnitt 13 ausgeführt. Dieser wird z. B. ebenfalls schichtweise mit der Umgebung der Kernschicht 1 generativ erzeugt. Der Funktions- oder Montageabschnitt 11 weist ferner einen Krafteinleitungsabschnitt 50 auf, der den Funktionsabschnitt 11 kraftschlüssig mit dem Tragabschnitt 40 verbindet. Bevorzugt ist der Krafteinleitungsabschnitt 50 derart ausgebildet, dass eine optimale Krafteinleitung der an dem Funktionsabschnitt 11 wirkenden Kräfte in den Tragabschnitt 40 möglich ist. Zu diesem Zweck kann der Krafteinleitungsabschnitt 50 besondere Verdickungen und/- oder Verstärkungen aufweisen, die in der Wandstruktur des Krafteinleitungsabschnittes 50 ausgebildet sind und sich in die Gefügestruktur der Tragschicht 40 erstrecken. Beispielsweise kann der Krafteinleitungsabschnitt 50 eine spinnennetzartige oder sternförmige Erstreckung in den Tragabschnitt 40 aufweisen, der Wandungen 41 aufweist, die bevorzugt in Leichtbauweise angeordnet sind. Die Wandungen 41 sind einstückig und kraftschlüssig mit dem Krafteinleitungsabschnitt 50 verbunden, da sowohl der Tragabschnitt 40 als auch der Funktionsabschnitt in einem additiven oder generativen Fertigungsverfahren gemeinsam ausgebildet werden.
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Die mesoskopische Struktur 100, die den Tragabschnitt 40 bildet, hat hier eine wabenförmige mehreckige Querschnittsform, die von den Wandungen 41 ausgebildet werden und eine Kavität 42 definieren (siehe 6, 7 und 8). Die von den Wandungen 41 definierte Kavität 42 kann auch andere vieleckige, rechteckige, dreieckige, oval und kreisförmige gleichmäßige Querschnittsformen aufweisen. Wesentlich ist hierbei, dass die entsprechende Struktur die Tragfähigkeit der Kernschicht 1 erhöhen soll bei gleichzeitig verringertem Gewicht.
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Die mesoskopische Struktur 100 kann jedoch auch ein zellulares oder schaumstoffartiges ungleichmäßiges Gefüge aufweisen. Unter einer mesoskopischen Struktur ist hierbei ein Strukturgefüge zu verstehen, dessen Gefügeabmessungen von wenigen bis mehreren hundert Nanometern reichen, also Abmessungen in Bereichen zwischen makroskopischen und mikroskopischen Abmessungen. Die mesoskopische Struktur 100 der Kernschicht 1 kann je nach Bauteilgröße weinige Nanometer bis einige Zentimeter groß sein, wobei die mesosskopischen Abmessungen sowohl die Wandungen 41 als auch die von den Wandungen gebildeten Öffnungen als auch den Funktionsabschnitt 11 betreffen können. Je nach Bauteilgröße weist die Kernschicht 1 mesoskopische Abmessungen auf. Die Gefügestrukturen, die den Tragabschnitt 40 und den Funktionsabschnitt 11 bilden, können eine mesoskopisch große Struktur aufweisen, wobei das von diesen Bauteilen gebildete Leichtbauelement 1 Abmessungen aufweist, wie sie im Fahrzeugbau, Flugzeugbau und/oder Baubereich (Gebäude) üblich sind.
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Die Kernschicht 1 weist eine erste Außenfläche 14 und eine zweite Außenfläche 15 auf, die von den Wandungs-Endabschnitten der Wandungen 41 definiert werden. Die Kavität 42 (siehe 42) ist bevorzugt durchgängig ausgebildet. Der Funktionsabschnitt 11 weist einen Absatz 16 auf, der von der ersten Außenfläche 14 vorsteht. Die Erhebungshöhe des Absatzes 16 entspricht vorzugsweise der Materialdicke einer Deckschicht 20, 21, so dass die Außenfläche des Funktionsabschnittes 11 bündig mit der Außenfläche der Deckschicht 20 abschließen kann, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
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Die Ausführungsform nach 2 zeigt eine Weiterverarbeitung der in 1 erläuterten Kernschicht, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt an den Außenflächen 14 und 15 der Kernschicht 1 Deckschichten 20 und 21 angebracht worden sind. Die Deckschichten 20, 21 sind bevorzugt mittels eines Klebemittels mit den Außenflächen 14 und 15 der Kernschicht 1 haftverbunden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Deckschichten 14 und 15 mittels eines vorstehenden Absatzes 16 der Kernschicht 1 des Funktionsabschnittes 11 befestigt werden können. Hiefür sind an geeigneten Stellen mehrere Funktionsabschnitte 11 mit Absätzen an der ersten und/oder zweiten Außenfläche 15 ausgebildet. Die Deckschichten 14 können aber an den Außenflächen 15 auch auf andere Art und Weise befestigt werden. Beispielsweise kann zwischen der jeweiligen Deckschicht 14, 15 eine Klebeschicht vorgesehen sein oder die Deckschichten 14, 15 werden mittels Schraubverbindungen, die in den Funktionsabschnitten 11 eingeschraubt werden können, zerstörungsfrei lösbar befestigt. Die Deckschichten 14, 15 können zusätzlich oder ausschließlich durch weiter zerstörungsfrei lösbare oder nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindungsmittel an den Außenflächen 14, 15 befestigt werden. Als zerstörungsfrei nicht-lösbare Verbindungsmittel wären beispielsweise Nietverbindungen oder Klebeverbindungen möglich, die an dafür vorgesehen Positionen in dem Funktionsabschnitt befestigt werden. Die erfindungsgemäße Kernschicht 1 bildet zusammen mit den Deckschichten 20, 21 ein Leichtbauelement 10 aus, wie es beispielsweise in Fahrzeugen oder Gebäuden mit Hilfe des Funktionsabschnittes 11 montiert werden kann.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 3.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Kernschicht 1 als Leichtbauelement 10, wie sie mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. An den Außenflächen 14 und 15 der mesoskopischen Struktur 12 der Kernschicht 1 sind bereits entsprechende Deckschichten 20, 21 angebracht. Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 gezeigten Funktionsabschnitt 11, ist der in 3 gezeigte Funktionsabschnitt 11 als eine Durchgangsöffnung 17 ausgebildet, die eine Kommunikation zwischen und außerhalb der ersten und der zweiten Außenfläche 14, 15 ermöglicht, so dass beispielsweise ein Bolzen oder Befestigungsstift (nicht dargestellt) durch die Durchgangsöffnung 17 hindurch einsteckbar ist. Je nach Bedarf, kann die Öffnungsweite w der Durchgangsöffnung 17 auf den Verwendungszweck abgestimmt werden. Beispielsweise kann die Durchgangsöffnung 17 ein gewisses Spiel gegenüber einem darin einzusteckenden Bolzen aufweisen oder kann derart mit dem Bolzen zusammenwirken, dass zwischen der Durchgangsöffnungsweite und dem Bolzen eine Presspassung ausbildbar ist. Auch hier ist der Funktionsabschnitt 11 gleichzeitig mit der Umgebungsstruktur der Kernschicht 1 ausgebildet.
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Es wird nun Bezug genommen auf die 4 und 5.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kernschicht 1 als Leichtbauelement 10, mit an den Außenflächen 14, 15 angebrachten Deckschichten 20, 21. Das hier gezeigte Leichtbauelement 10 weist als Funktionsabschnitt 11 einen als Vollquerschnitt gebildeten Aufnahmekörper oder Zapfen 19 auf. Der Zapfen 19 ist gleichzeitig mit der Umgebungsstruktur der Kernschicht 1 ausgebildet (vorzugsweise schichtweise aus Pulvermaterial aufgeschmolzen). In den Vollmaterialkörper oder Zapfen 19 können in nachträglichen Formgebungsschritten beliebige Montagevorrichtungen, wie Bohrungen, Öffnungen und/oder Gewindeabschnitte nachträglich eingebracht werden. Bevorzugt sind die Abmessungen des Aufnahmeabschnittes oder Zapfens 19 derart gewählt, dass beim Einbringen der Montagevorrichtungen der benachbarte Tragabschnitt 40 nicht beschädigt werden kann. Der Aufnahmeabschnitt oder Zapfen 19 weist ebenfalls einen Krafteinleitungsabschnitt 50 auf, der einstückig mit den Wandungen der Tragschicht 40 verbunden ist. Zum Montieren eines Einbaustücks 30 kann in dem Aufnahmeabschnitt 30 eine Bohrung 100, angezeigt mit gestrichelten Linien, ausgebildet werden. Vorzugsweise ist hier der Tragabschnitt aus einem anderen Material ausgebildet wie der Aufnahmenabschnitt 19. Vorteilhafterweise weist der Tragabschnitt 40 ein geringeres Gewicht als der Aufnahmeabschnitt 10 auf, während der Aufnahmeabschnitt 10 eine höhere Festigkeit aufweist. Hiefür sind für die Herstellung des Tragabschnittes 40 und des Funktionsabschnittes 11 unterschiedliche Materialien verwendbar, auch wenn die Herstellung gleichzeitig und gemeinsam mit der Umgebungsstruktur der Kernschicht 1 geschieht.
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Der Krafteinleitungsabschnitt 50 ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die an dem Zapfen 19 wirkenden Kräfte optimal in die benachbarte Tragschicht 40 eingeleitet werden können. Beispielsweise kann der Krafteinleitungsabschnitt 50 eine sternförmige oder spinnennetzartige Erstreckung in den Tragabschnitt 40 aufweisen. Zum Einbringen eines Inserts oder Einbaustückes 30 kann in dem Zapfen 19 eine Bohrung oder ein Gewinde eingebracht werden, um das Insert in die Bohrung einzupressen oder einzuschrauben. In den Zapfen 19 ist das Einbaustück 30 einzusetzen.
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5 zeigt das in 4 gezeigte Leichtbauelement 10, wobei das Halbzeug bzw. das Einbaustück 30 in dem Zapfen bzw. Vollquerschnitt 19 bereits befestigt worden ist. Das Einsetzen kann beispielsweise durch Ausbilden einer geeigneten Bohrung in dem Zapfen 19 erfolgen oder durch ein Einpressen des Einbaustücks in den Zapfen 19. Ferner können in dem Zapfen 19 geeignete Führungen nachträglich ausgebildet sein, die ein vorbestimmtes Einsetzen des Halbzeuges 20 ermöglichen. Das Einbaustück 30 kann beispielsweise eine Hülse, ein Lager ein Gewindeabschnitt, eine Schraubverbindung etc. sein.
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Die Werkstoffe oder Materialien, die zum Ausbilden der Kernschicht verwendet werden, umfassen alle Materialien, die für eine Verwendung in einem generativen oder additiven Fertigungsverfahren verwendet werden können. Die Materialien können Kunststoffe, wie ABS, Polycarbonate, Polymere, Thermoplaste, Photopolymere, Polyamide, Polyvinylchlorid, Duromere oder Elastomere, Betone, unterschiedliche Metalle oder Metalllegierungen, insbesondere durch Energiestrahlen aufschmelzbares Metallpulver, sowie geeignete Keramikmaterialien sein. Je nach angewendeten generativen oder additiven Fertigungsverfahren können die Materialien als formlose Materialien, beispielsweise in Pulverform oder als Flüssigkeit, oder als formneutrale Materialien, wie z. B. als band- oder drahtförmige Halbzeuge, vorliegen.
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6, 7 und 8 zeigen unterschiedliche Draufsichten auf Teilabschnitte der Kernschicht 1 des Leichtbauelementes 10, wobei zur Verdeutlichung die Deckschichten 20, 21 weggelassen worden sind. In 6 ist die wabenförmige Struktur des Tragabschnittes 40 der Ausführungsform nach 1 bis 5 dargestellt. Die wabenförmige Struktur ergibt sich durch die Anordnung der Wandungen 41, die eine durchgängige Kavität 42 umgeben. Der Funktionsabschnitt 11 ist in einer der Kavitäten 42 ausgebildet, wobei der Krafteinleitungsabschnitt 50 auch von den Wandungen ausgebildet ist. In dem Funktionsabschnitt ist eine Aufnahme 18 ausgebildet. Die Aufnahme 18 kann zusätzlich Gewindeabschnitte (wie in 1) oder andere Montageabschnitte aufweisen.
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In 7 ist eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt der Kernschicht 1 des erfindungsgemäßen Leichtbauelementes 10 der erfindungsgemäßen Kernschicht 1 des Ausführungsbeispieles nach 1 gezeigt. Ferner ist in 7 die Schnittführung A-A gezeigt, aus der sich die Schnittansicht von 1 ergibt. Der Krafteinleitungsabschnitt 50 erstreckt sich in den Bereich der Kavitäten und stellt so eine bessere Krafteinleitung von an dem Funktionsabschnitt 11 wirkenden Kräften bereit. Der Krafteinleitungsabschnitt 50 kann sich auch sternförmig oder spinnennetzartig in den angrenzenden Kavitäten 42 und Wandungen 41 des Tragabschnittes erstrecken.
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8 zeigt eine gitterförmige Ausgestaltung des in Leichtbauweise ausgebildeten Tragabschnittes 40 einer Kernschicht 1. Die Wandungen 41 sind gitterförmig angeordnet und der Funktionsabschnitt 11 erstreckt sich mit seinem Krafteinleitungsabschnitt 50 über die Wandungen 41 des Tragabschnittes 40. Die Wandungen 41 des Tragabschnittes 40 können auch auf andere Art und Weise zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können die Wandungen 41 eine dreieckförmige oder kreisförmige Kavität 42 umschleißen bzw. definieren. Mit dem Verfahren können auch Tragabschnitte 40 ausgebildet werden, die eine ungleichmäßige zelluläre Struktur aufweisen. Wesentlich ist hierbei, dass sowohl der Tragabschnitt 40 als auch der Funktionsabschnitt 11 stoffschlüssig verbunden sind. Dennoch können Funktionsabschnitt 11 und Tragabschnitt 40 der Kernschicht 1 aus verschiedenen Materialien gebildet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel kann eine Kernschicht 1 eines Leichtbauelementes 10 mit folgenden Verfahrensschritten hergestellt werden:
- – Bereitstellen eines formlosen oder formneutralen Materiales, wobei es sich bei dem formlosen Material um eine Flüssigkeit oder ein Pulver und bei dem formneutralen Material um bandförmige oder drahtförmige Halbzeuge handeln kann. Für den Tragabschnitt 40 und für den Funktionsabschnitt 40 kann jeweils dasselbe Material zum Ausbilden derselben bereitgestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Tragabschnitt 40 aus einem anderen, beispielsweise einem Material mit geringeren Gewicht ausgebildet wird, während der Funktionsabschnitt 40 aus einem Material 40 ausgebildet wird, dass eine höhere Festigkeit nach dem Fertigungsverfahren bereitstellt,
- – Verbringen des formneutralen oder formlosen Materiales in eine Haltevorrichtung,
- – durch chemische und/oder physikalische Prozesse eines additiven oder generativen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise ein 3D-Printing-Verfahren, ein Contur-Crafting-Verfahren (CC-Verfahren), ein Elektronenstrahlschmelz-Verfahren (EBM-Verfahren), ein Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren), ein Laminated-Object-Verfahren (LOM-Verfahren), ein Laserauftragsschweiß-Verfahren (LENS-Verfahren), ein Multi-Jet-Modeling-Verfahren (MJM-Verfahren), ein Polyamidguß-Verfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM-Verfahren), ein selektives Lasersinternverfahren (SLS-Verfahren), ein Space-Puzzle-Moulding-Verfahren (SPM-Verfahren), ein Stereolithografie-Verfahren (STL-Verfahren), und/oder ein Streifenlichtscanning-Verfahren, sowie einem Kaltguss-Spritzverfahren,
- – Ausbilden einer Gefügestruktur aus dem formlosen oder dem formneutralen Material, wobei die Gefügestruktur Tragabschnitte 40 und Funktionsabschnitte 11 aufweist, wobei die Tragabschnitte 40 vorzugsweise in struktureller Leichtbauweise durch eine Hohlräume umgebende/bildende Skelettstruktur ausgebildet sind und die Funktionsabschnitte 11 zum Befestigen und/oder Einbringen von Funktionselementen und/oder Montageelementen, wie Schrauben, Gewinde oder Passungen dienen können,
- – Entfernen der Kernschicht aus der Haltevorrichtung,
- – Anbringen einer ersten und oder zweiten Deckschicht 20, 21 an den Außenflächen 14, 15 der Kernschicht,
- – Nachbehandeln der Kernschicht, wie beispielsweise Beseitigen von Materialanhaftungen, die nicht zu der fertigen Kernschicht gehören, beispielsweise durch Abblasen oder Abwaschen, Beseitigen von Graten und/oder Bauteilübermaßen durch Nachbehandeln des Funktionsabschnittes oder des Tragabschnittes der Kernschicht,
- – Endkontrolle der Kernschicht und/oder der Deckschichten, wobei diese stichprobenartig erfolgen kann,
wobei
wenn der Funktionsabschnitt als Vollquerschnitt oder Zapfen 19 ausgebildet ist,
- – Einbringen einer Gewindestruktur oder Durchgangsöffnung, wobei dieser Verfahrenschritt auch vor Ort, d. h. an der Montagewerkstatt des Fahrzeuges oder an der Baustelle erfolgen kann, an dem das Leichtbauelement montiert werden soll.
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Ggf. kann auch eine oder mehrere Deckschichten ebenfalls in dem integralen Bildungsprozess des Leichtbauteiles, d. h. der Herstellung der Kernschicht 1 integriert sein, d. h. gebildet werden, ehe diese aus der Halte- oder Bildungsvorrichtung entnommen wird.
