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Die
Erfindung betrifft ein Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild,
bei dem zumindest teilweise mindestens eine Isolierlage eingesetzt
ist.
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Abschirmbauteile
dieser Art sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und finden
insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik weit verbreitete Anwendung.
Als Hitzeschild konzipiert haben solche Bauteile die Aufgabe, die
durch Strahlen und/oder Konvektion abgegebene Wärme von Motoren und deren Komponenten,
wie Turboladern, Katalysatoren etc., abzuhalten. Da die in Frage
kommenden abzuschirmenden Teile nicht nur Wärmequellen darstellen, sondern
auch Schallquellen sind, ist neben der Wärmedämmung auch ein günstiges akustisches
Abschirmverhalten äußerst wichtig.
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Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist in der
DE 41 37 706 A1 bereits
vorgeschlagen worden, als schallabsorbierende Wärmeisolierung für ein Abschirmbauteil
einen schalldurchlässigen
metallischen Träger
als Decklage vorzusehen, mit einem an dem Träger angeordneten Isolationsmaterial
in Form einer Isolierlage. Als Isoliermaterial wird bei der bekannten
Lösung
ein Feststoff, gebildet aus Quarzsand, eingesetzt, dessen Korndurchmesser
bei ca. 0,8 bis 2 mm liegt. Das Quarzsand-Material läßt sich gut
in vorhandene Ausprägungen
des Trägers
einbringen und vom metallischen Träger umschließen; bedingt
durch den Einsatz des Feststoffes weist die bekannte Lösung aber
ein hohes Gewicht auf und soweit das Abschirmbauteil in Mehrschicht-Bauweise
ausgelegt ist, ist ein erhöhter
Herstellaufwand nebst Herstellkosten gegeben.
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Vergleichbare
Lösungen
zeigen auch die
DE 102
53 508 B3 , die als Isolierlage zwischen als Decklagen ausgebildeten
Blechplatinen hochdispergierte Kieselsäure einsetzt, die wie Quarzsand
inkompressibel ist und eine große
Wärmedämmung gewährleistet,
sowie die
DE 42 11
409 A1 , die als wärmeisolierende
und schalldämmende
Lage als Verkleidung für
Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen Glasfasergelege einsetzt,
die unter anderem mit mineralischen Füllstoffen versehen sind, wie
Quarzsand oder Basaltwolle.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die bekannten Lösungen
unter Beibehalten ihrer Vorteile, nämlich eine gute Schall- und
Wärmeabsorption
sicherzustellen, dahingehend weiter zu verbessern, dass bei geringen
Herstellkosten eine Leichtbauweise für das Abschirmbauteil realisierbar
ist. Eine dahingehende Aufgabe löst
ein Abschirmbauteil mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 in
seiner Gesamtheit.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Schutzanspruches 1 die Isolierlage aus einer zellularen
Struktur gebildet ist, ist diese unter Bildung eines Verbandes aus
miteinander in Wechselwirkung stehenden Einzelzellen aufgebaut,
wobei die einzelnen „Zellwände" die Gesamtstruktur,
also das Abschirmbauteil als Ganzes, aussteifen und die Räume zwischen
den „Zellwänden" dienen als Hohlräume ausgebildet
einer Gewichtsreduzierung des Abschirmbauteils, so dass dieses als
Leichtbauteil ausbildbar ist. Die zellulare Struktur weist darüber hinaus
gegenüber
einer vollmassiven Isolierlage, beispielsweise aufgebaut aus dichten
Metallen, Faserverbundwerkstoffen oder mineralischen Feststoffbetten,
wie Quarzsand, eine deutlich verbesserte Schall- und Vibrationsdämpfung auf.
Durch die zellulare innere Struktur des Abschirmbauteils wird die
Dichte reduziert bei gleichzeitiger Erhöhung der Zug- und Druckfestigkeitswerte.
Auch erlaubt die zellulare Struktur des Abschirmbauteils eine vermehrte
Aufnahme an Deformationsenergie, was sich wiederum günstig auf
das Deformationsverhalten im Betrieb des Abschirmbauteils auswirkt.
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Die
jeweils eingesetzte zellulare Struktur kann als eigenstabile Lage
dem Grunde nach das Abschirmbauteil selbst bilden; bei einer bevorzugten Ausgestaltung
ist jedoch vorgesehen, dass die jeweilige Isolierlage sich zumindest
teilweise entlang mindestens einer Decklage erstreckt, um dergestalt
die gegebenenfalls gegen Abrieb empfindliche zellulare Struktur
vor mechanischer Beschädigung
zu schützen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, die zellulare
Struktur aus einem offenzelligen Schaum, einer Hohlkugelstruktur,
einer Wabenstruktur oder einer Siebdruckstruktur zu bilden. Mit
den dahingehenden zellularen Strukturen lassen sich auch geometrisch
komplex geformte Isolierlagen herstellen, so dass der konstruktiven
Ausgestaltung von Abschirmbauteilen nahezu keine Grenze gesetzt sind,
was eine Rolle spielt, wenn das Abschirmbauteil als Hitzeschild
ausgebildet direkt am Ort der Wärmeentstehung
komplexen dreidimensionalen Außengeometrien
nachzufolgen hat, wie sie beispielsweise durch die Ausgestaltung
eines Motorblockes, Turboladers oder Katalysators vorgegeben sind.
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Im
Sinne einer optimierten Leichtbauweise mit dennoch hohen Festigkeitswerten
hat es sich als günstig
erwiesen, einen Metallschaum für
die Isolierlage einzusetzen. Im Sinne einer Sandwich-Bauweise hat
es sich wiederum als besonders günstig
erwiesen, für
den Schaum eine offenporige Struktur einzusetzen, die insbesondere
beim Auftreten von Biegewechselspannun gen oder dergleichen ein hohes Maß an Elastizität bei gleichzeitiger
Festigkeit gewährleistet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abschirmbauteils sind Gegenstand
der sonstigen Unteransprüche.
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Im
folgenden wird das erfindungsgemäße Abschirmbauteil
anhand verschiedener Ausführungsformen
nach der Zeichnung näher
erläutert. Dabei
zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 in
perspektivischer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel des Abschirmbauteils
als Hitzeschild konzipiert, wobei dem Betrachter zugewandt eine
Blechdecklage gezeigt ist, die darunterliegend eine Isolierlage
nach oben hin abdeckt;
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2 eine
Unteransicht auf das Abschirmbauteil nach der 1 mit
dem Betrachter zugewandter Isolierlage, die zumindest teilweise
randseitig von der Blechdecklage nach der 1 übergriffen ist;
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3 in
prinzipieller Darstellung einen Teilausschnitt der Lösung nach
den 1 und 2, bei dem randseitig die Blechdecklage
die eingesetzte Isolierlage übergreift;
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4 eine
der 3 entsprechende Darstellung einer geänderten
Ausführungsform
mit eine zwischen zwei Decklagen aufgenommenen Isolierlage;
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5 und 6 geschnitten
dargestellt eine jeweils einzelne Strukturzelle als Teil eines offenzelligen
Schaumes bzw. einer Hohlkugelstruktur;
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7 in
perspektivischer Draufsicht einen Ausschnitt einer Waben- oder Siebdruckstruktur.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Abschirmbauteils ist in der Art eines Hitzeschildes ausgebildet,
wie man es regelmäßig im Kraftfahrzeugbereich
benötigt,
wobei sich entlang einer Decklage 10 eine Isolierlage 14 aus
einer zellularen Struktur erstreckt. Wie insbesondere die 2 zeigt,
ist die Isolierlage 14 randseitig zumindest teilweise von
der Blechdecklage 10 übergriffen
und derart an der Decklage 10 flächig gehalten. Die Decklage 10 kann
zusammen mit der Isolierlage 14 flächig zugeschnitten werden,
um dann im Verbund gemeinsam umgeformt eine dreidimensionale Hitzeschildlösung auszubilden
mit eingeprägten Versteifungssicken 16 und
Durchgriffsöffnungen 18, die
dem späteren
Festlegen des Hitzeschildes im Kraftfahrzeuginneren dienen.
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Die
dahingehend umgebördelte
Festlegesituation ist in einer prinzipiellen Schnittdarstellung
in der 3 wiedergegeben. Für die Isolierlage 14 nach
der 2 kommt eine sog. Hohlkugelstruktur zum Einsatz,
bei denen definiert herstellbare Einzelzellen, vorzugsweise aufgebaut
aus metallischen Hohlkugeln 19, zu zellularen Strukturen
miteinander verbunden werden. Dahingehende metallische Hohlkugeln,
wie sie aufgeschnitten exemplarisch für eine Einzelzelle in der 6 dargestellt
sind, lassen sich durch Beschichtung von organischen Trägern, wie Styroporkugeln
und anschließen des
Entbindern nebst Anwendung eines Sinterprozesses herstellen. Dabei
entstehen Kugeln im Durchmesser zwischen 1,5 bis 10 mm bei einer
Schalendicke von 20 bis 500 μm
als Zellwand 22 der zellularen Struktrur. Als Beschichtungswerkstoff
eignen sich neben Eisenpulver auch sonstige Metallpulver, die mit
einem Binder auch eine Suspension eingehen können.
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Dem
Grunde nach ließe
sich die dahingehende Hohlkugelstruktur auch über einen keramischen Werkstoff
erhalten, wobei jedoch der Einsatz von Metallen für die Hohlkugelstruktur
den Vorteil hat, dass die Struktur bis zu einem gewissen Grad kompressibel
ist. Auch erweist sich der derart aufgebaute Hohlkugelverbund mechanisch
und thermisch stabil und widersteht abrasiven Einflüssen. Somit
besteht auch die Möglichkeit,
unter Weglassen der Blechdecklage 10 die aufgezeigte Hohlkugelstruktur 14 als Isolierlage
unmittelbar zum Hitzeschild durch Umformen auszubilden und einzusetzen.
Gerade durch die Kombination der Blechdecklage 10 mit der
Isolierlage 14 wird jedoch zum einen die Isolierlage 14 vor
abrasivem Einfluß geschützt und
insbesondere bei dünner
Ausbildung der Isolierlage 14 trägt die Decklage 10 zur
Stabilisierung des Gesamt-Hitzeschildes mit bei und erleichtert
das Verbauen des Hitzeschildes im Innenbereich des Fahrzeuges, wie
einem Motorraum od. dgl..
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Neben
der genannten Hohlkugelstruktur, die auch aus einer Hohlwabenstruktur
od. dgl. aufgebaut sein könnte,
kann als Isolierlage 14 ein Metallschaum, insbesondere
in Form eines offenzelligen Schaumes, zum Einsatz kommen. Neben
Metallschaum kann auch ein Kompositschaum unter Einsatz von thermisch
stabilen Kunststoffmaterialien für die
Isolierlage 14 eingesetzt sein, ebenso wie Keramikschäume, die
für ihre
Herstellung zu sintern sind und im Gegensatz zu den bevorzugt zum
Einsatz kommenden Metallschäumen
kein elastisch nachgiebiges Dehn- oder Stauchverhalten aufweisen,
was an sich gewünscht
ist, damit das Abschirmbauteil oder Hit zeschild bei thermischer
Beanspruchung sich entsprechend unter dem Wärmeeinfluß reversibel ausdehnen kann.
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Für den Erhalt
des Metallschaumes läßt sich beispielsweise
ein Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper einsetzen, wie es durch
die
DE 40 18 360 C1 vorgegeben
ist. Bei dem bekannten Verfahren wird zunächst eine Mischung aus einem
Metallpulver und einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt.
Anschließend
wird diese Mischung heiß kompaktiert
zu einem Halbzeug geformt bei einer Temperatur, bei der die Verbindung
der Metallpulverteilchen überwiegend
durch Diffusion erfolgt und bei einem Druck, der derart hoch gewählt ist,
um einer Zersetzung des Treibmittels entgegenzuwirken. Das Heißkompaktieren
wird so lange durchgeführt,
bis die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander
befinden und insoweit einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels
darstellen. Das derart hergestellte Halbzeug wird dann auf eine
Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels aufgeheizt
und anschließend
wird der derart aufgeschäumte
Körper
abgekühlt.
Als Treibmittel können
dabei Metallhydride, wie Titanhydrid oder Karbonate eingesetzt werden,
aber auch leicht verdampfende Stoffe in Form pulverisierter organischer
Substanzen. Als Metalle kommen hier insbesondere Reinaluminiumpulver
in Frage, aber auch Kupferpulver und dergleichen mehr. Detailliertere Einzelheiten
zur Herstellung ergeben sich aus der genannten Patentschrift.
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Ein
weiteres Verfahren zum Herstellen von Stahlschaum, insbesondere
in Form von Aluminium- und Nickelschäumen, ergibt sich durch das
sog. SchlickerReaktionsSchaumSinter (SRSS) – Verfahren, wobei das Aufschäumen durch
eine chemische Reaktion bei Raumtemperatur erfolgt. Dabei werden zunächst das
Metallpulver und das Dispergiermittel unter Bildung eines Schichtsilikats
vermischt, wobei in Abhängigkeit
des Legierungsgehal tes des Metallpulvers ein Treibmittel in Form
eines sehr fein reaktiven Metallpulvers, beispielsweise in Form
von Carbonyleisen, zuzugeben ist. Anschließend wird konzentrierte Phosphorsäure dem
Lösungsmittel – Wasser und/oder
Alkohol – zugegeben,
wobei die Säure
in Wasser disoziiert. Dergestalt entsteht eine Art schlickerartige
Suspension, in der zwei Reaktionen parallel ablaufen, nämlich zum
einen entstehen bei der chemischen Reaktion und zwischen den reaktiven Metallteilchen
und der Säure
Wasserstoffgasbläschen,
die ein direktes Aufschäumen
des Schlickers bewirken, und des weiteren bildet sich ein Metallphosphat,
welches die Aufgabe eines Bindemittels übernimmt und die Schaumstruktur
stabilisiert. Der derart erhaltene Grünling wird dann unter Reduzieren
der Atmosphäre
zu einem offenporigen Metallschaum gesintert (siehe hierzu auch
DE 197 16 514 C1 ).
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Ferner
läßt sich
der offenzellige Schaum wiederum durch ein Beschichtungsverfahren
von Polymerschäumen
unter Einsatz von Metallpulver, wie Eisenpulver, erhalten. Das dahingehende
Herstellverfahren entspricht dann wiederum dem Verfahren zum Herstellen
der jeweiligen Hohlkugelsstruktur unter Einsatz der sich anschließenden Entbinderung
sowie Sinterung. Hierbei bevorzugt zum Einsatz kommende Werkstoffe
sind Stahl oder Legierungen auf der Basis von Nickel, Kobalt und
Titan. Ebenso können intermetallische
Verbindungen zum Einsatz kommen. Die derart hergestellten offenzelligen
oder offenporigen Schäume
weisen neben einer hohen Permeabilität eine große spezifische Oberfläche und
mithin ein hohes Maß an
Wärmeabfuhrvermögen auf.
Der dahingehend offenporige Schaum kann klein- oder großporig ausgebildet
sein. Die Offenporigkeit führt zu
einem geringen Einsatzgewicht für
das Schaummaterial und mithin zu einem niedrigen Gewicht für das gesamte
Abschirmbauteil. Aufgrund der Porenstruktur ist ein entsprechender
Metallschaum auch elastisch nachgiebig und kann dergestalt thermisch bedingte
Längen-
oder Volumenänderungen
sinnfällig
aus gleichen. Darüber
hinaus ergibt sich dergestalt ein sehr drucksteifes, belastbares
Gesamtgebilde für das
jeweils gewünschte
Abschirmbauteil.
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Eine
Einzelzelle für
einen dahingehend offenporigen Schaum ist mit ihren Poren 20 sowie
die Poren 20 begrenzenden Zellwände 22 in der 5 im
Schnitt in einer Art Halbkugelform dargestellt. Die dahingehenden
Zellen könnten
auch als freies Schüttgut
eingesetzt werden, um dergestalt in praktischer Weise in einen Zwischenraum
zwischen zwei Decklagen 10,12 gemäß der Darstellung
nach der 4 eingebracht zu werden. Auch
könnten
dergestalt verschiedene Arten an Isolierlagen 14 miteinander
verbunden werden, beispielsweise ein offenporiger Schaum, wie vorstehend
beschrieben, mit geschlossenen einzelnen Schaumzellen gemäß der Darstellung
nach der 5. Sofern die Isolierlage 14 aus
einer zellularen Struktur aus Porenschaum oder als Hohlkugelstruktur
in Plattenbauweise gebildet ist, läßt sich eine dahingehende Strukturplatte
auch zwischen die Decklagen 10,12 des Hitzeschildes
gemäß der Darstellung
nach der 4 auch bei einem gebogenen stirnseitigen
Verlauf ohne weiteres einbringen, da insoweit sich die zellulare
Struktur als nachgiebig erweist und der jeweiligen Kontur der Decklagen 10, 12 unter
Verringerung der Hohlräume
oder Poren nachfolgen kann. Ein weiter verbessertes Wärmeableitverhalten
ergibt sich, sofern mindestens einer der beiden Decklagen 10, 12 mit
Durchlässen,
beispielsweise in Form einer Perforation versehen ist. Dergestalt
kann auch mindestens eine Decklage, hier die untere Decklage 12 aus
einem Streckmetallgitter bestehen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
um die gewünschte zellulare
Struktur als Hohlstruktur beispielsweise in Form einer Wabenstruktur
gemäß der Darstellung nach
der 7 unter Einsatz eines Metalles zu erhalten, besteht
wiederum darin, ein Metallpulver, beispielsweise in Form eines Aluminiumpulvers,
mit einem geeigneten Gleitmittelpulver homogen zu vermischen, das
als gasdichtes Vormaterial (Halbzeug) derart erwärmt wird, dass oberhalb des
Metallschmelzpunktes ein Metallschaum entsteht. Wird dann der flüssige Schaum
durch schnelles Abkühlen unterhalb
der Metallschmelztemperatur in die feste Phase überführt, entsteht ein fester Metallschaum mit
einer geschlossenen wabenartigen Außenhaut mit einer darin liegenden
geschlossenporigen inneren Struktur. Die derart erhaltenen Einzelelemente oder
Einzelzellen in Wabenstruktur mit geschlossener Umgebungshaut 24 gemäß der Darstellung
nach der 7 können dann auch mehrlagig als
Auffüllmaterial
zwischen die Decklagen 10,12 des Hitzeschildes
eingebracht werden oder dieses sandwichbauartig unter Weglassen
der Decklagen selbst ausbilden.
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Die
Wabenstruktur nach der 7 läßt sich auch über ein
sog. metallisches Siebdruckverfahren erhalten, bei dem in Einzelschritten
ein sich schichtweiser Aufbau für
die Wabenstruktur ergibt. Eine sinnfällige Strukturierung der Isolierlage 14 kann dann
durch Maskenvariation erfolgen. Anschließende Entbinderung und Sinterung
führt dann
im großserientauglichen
Rahmen zu Isolierlagen 14 mit einem gezielten, äußerst vielfältigen Porendesign.
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Die
durch die zellulare Struktur der Isolierlage 14 gebildeten
Hohlräume
(Poren) lassen sich darüber
hinaus mit weiteren Füllkörpermaterialien
versehen, wie Fasermaterialien, Feststoffen und dergleichen mehr.
Hierdurch lassen sich weitere Anpassungen an thermische Gegebenheiten
schaffen und/oder die genannte Struktur weiter aussteifen.
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Unter
Einsatz zellularer Isolierlagen für Abschirmbauteile, wie Hitzeschilder,
ist neben einer sehr guten thermischen Isolation und einer überragenden
Schallabsorption bedingt durch das hohe Energieabsorptionsvermögen eine
gute mechanische Dämpfung
gegenüber
Schwingungen und Stößen erreicht,
so dass ein derart ausgestaltetes Hitzeschild als sehr robust für den späteren Einsatz
zu bezeichnen ist.