DE4340348A1 - Bauteil, enthaltend keramische Hohlkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil, umfassend eine Hülle mit darin aufgenommenen keramischen Hohlkör­ pern.

Aus der DE-C-29 17 687 ist ein Stoßpolster mit einem energieabsorbierenden Kern, der von einem elastischen Mantel umgeben ist, bekannt. Der Kern besteht aus einer Schüttung aus mineralischem Partikelschaum, dessen Zwischenvolumen von einem Schaumkunststoff ausgefüllt ist. Der mineralische Partikelschaum kann aus kugelför­ migen Blähton-, Blähsilikat, oder Blähschieferpartikeln bestehen.

Darüber hinaus sind keramische Hohlkugeln, beispiels­ weise aus Aluminiumoxid oder Porzellan, bekannt. Auf­ grund der Eigenschaften werden derartige Hohlkugeln bereits in der Wärme- und Schalldämmung, beim Brand­ schutz, in der Katalysatortechnik, zur Energieabsorp­ tion und auch in der Wehrtechnik (Explosionsschutz) eingesetzt.

Die Hohlkugeln können unterschiedliche Durchmesser (z. B. 1 bis 6 mm) und Wandstärken (z. B. 10 µm bis einige mm) aufweisen. Die Herstellung der keramischen Hohlku­ geln erfolgt über Blasdüsen, durch die die keramische Suspension mit leichtem Überdruck geblasen wird. Die dabei entstehenden Blasen werden durch einen Querstrom weggetragen und in einem warmen Gegenluftstrom getrock­ net.

In einem anschließenden Sinterprozeß erhalten die Ku­ geln ihre endgültige Form und Festigkeit. Durch elek­ tronische Prozeßüberwachung und 100%ige Qualitätskon­ trolle (Flotationsverfahren) werden eine sehr enge Größenverteilung und fehlerfreie Kugeln garantiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil unter Einsatz keramischer Hohlkörper so auszugestalten, daß es ein hohes Energieabsorptionsvermögen und einen günstigen Kraft-Weg-Verlauf aufweist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß mindestens zwei Lagen von keramischen Hohlkörpern vorgesehen sind, wobei sich jede Lage durch ihren Durchmesser und/oder ihre Wandstärke unterschei­ den, läßt sich ein genau definierter Kraft-Weg-Verlauf und ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei gegebenen Weg erreichen. Dabei ist eine große Wandstärke der keramischen Hohlkörper oder Kügelchen gleichbedeutend mit einer großen Kraftaufnahme; ein großer Durchmesser bzw. eine geringe Wandstärke gleichbleibend mit einem höheren Weg. Durch die Schichtung unterschiedlicher Kugeln in Kraftrichtung läßt sich eine genau definierte Kennlinie erzeugen. Dies ist beispielsweise bei Defor­ mationselementen von großer Bedeutung. Die Verwendung der keramischen Hohlkörper selbst hat außerdem den Vorteil, daß über einen bestimmten Weg ein etwa kon­ stantes Kraftniveau gehalten werden kann, wodurch sich ein hohes Maß an Energieumwandlung ergibt.

Die keramischen Hohlkörper können in loser Schüttung in die durch das Bauteil gebildete Hülle eingebracht wer­ den. Dabei werden nacheinander Hohlkörper unterschied­ licher Durchmesser und/oder Wandstärke so eingefüllt, daß sich verschiedene Lagen in der gewünschten Vertei­ lung ergeben.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die keramischen Hohl­ körper in einer oder mehreren Packungen zusammengefaßt sind. Diese Packungen werden nach ihrer Konfektionie­ rung in das Bauteil eingelegt.

Eine sehr einfache Weise zur Bildung einer Packung besteht darin, daß die keramischen Hohlkörper in einer PE-Folie vakuumverschweißt werden. Solche Blister­ packungen lassen sich sehr kostengünstig herstellen. Es spielt dabei auch keine Rolle, wenn die Packungen zur Anpassung an die Innenkontur des sie aufnehmenden Bau­ teils kompliziertere Formen aufweisen müssen.

Je nach Verwendungszweck kann es auch notwendig sein, daß die Packung eine festere Außenhaut aufweist. Dies kann durch Einsatz von Kunststoff- oder Leichtmetall- Formkörpern erreicht werden.

Während in den vorstehend beschriebenen Packungen die keramischen Hohlkörper lose aufgenommen sind und durch die Packungen nur ein einfacheres Handling erreicht wird, ist es auch möglich, Packungen durch Einbettung der keramischen Hohlkörper zu erzeugen. Dies kann bei­ spielsweise dadurch geschehen, daß die Hohlkörper durch ein Epoxidharz miteinander verbunden sind.

Zu einer weiteren Erhöhung der Festigkeit und des Kraftaufnahmevermögens können die keramischen Hohlkör­ per in einer Kunststoff-Schaummatrix oder einer Matrix aus Leichtmetall eingebettet sein.

Nur ergänzend sei angefügt, daß die Einbettung der keramischen Hohlkörper nicht nur in Form von Packungen möglich ist, sondern daß darüber hinaus die keramischen Hohlkörper auch unmittelbar in das hohle Bauteil einge­ bracht und dort durch die genannten Materialien (Epoxidharz, Kunststoff, Leichtmetall) gebunden werden können. Denkbar ist beispielsweise die Füllung eines Blechprofils mit phenolharzgebundenen Keramikhohlkugeln und elastischer Vorspannung durch quellfähigen Kunst­ stoffschaum zur Verbesserung der Biege- und Torsion­ steifigkeit. Durch diesen unmittelbaren Verbund wird darüber hinaus die Akustik und Wärmeisolierung positiv beeinflußt. Zu bedenken ist jedoch, daß sich bei der vorbeschriebenen Vorgehensweise Probleme beim Einbrin­ gen von zwei oder mehr Lagen unterschiedlicher Hohlkör­ per und deren Bindung ergeben können.

Durch den Einsatz der Aluminiumoxid-Kügelchen lassen sich beispielsweise auch Bauteile im Bereich einer Krafteinleitung verstärken. Solche Bauteile können im Fahrzeugbau etwa die Anschlußstelle für einen Sicher­ heitsgurt oder eine Karosseriesäule sein. Zur Herstel­ lung wird bevorzugt ein Vorformling in ein entsprechen­ des Werkzeug eingelegt und ein Alu-Druckgußprozeß ein­ geleitet. Die dadurch entstandene Alu-Matrix verteilt ausgeübten Druck gleichmäßig auf die Kügelchen, was besonders in den Randbereichen wichtig ist. Die Anord­ nung der Hohlkugeln wird zweckmäßig so getroffen, daß in Bereichen großer Druckbelastung (Biegeträger) kleine und ggf. dickwandigere Kügelchen Verwendung finden. In den gegenüberliegenden Bereichen werden dann größere Kügelchen eingesetzt.

Um hier eine Verbesserung zu schaffen, wird vorgeschla­ gen, die außerhalb hergestellte, unterschiedliche Lagen keramischer Hohlkörper aufweisende Packung mit dem hohlen Bauteil (Hülle) durch Klebung zu verbinden. Dadurch ist ein genau festgelegter Aufbau mit verschie­ denen Lagen keramischer Hohlkörper gewährleistet und ein guter Kraftverbund zu dem Bauteil sichergestellt.

Der Anspruch 10 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausge­ staltung hinsichtlich der Verklebung der Verpackung.

Wenn das Bauteil zur Aufnahme von Zugkräften ausgestal­ tet sein soll, dann ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Hohlkörpern und/oder als Deckschicht ein Gewebe vorgesehen wird. Solche als Zugfasern eingesetzte Gewe­ beeinlagen können beispielsweise aus Kevlar bestehen.

Die Ansprüche 11, 12 und 13 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils, insbesondere zur Aufnahme oder zum Anschluß weiterer Bauteile.

Die keramischen Hohlkörper (Hohlkugeln) sind vornehm­ lich bestimmt und geeignet, Druckkräfte aufzunehmen. Gemäß der Ausgestaltung im Anspruch 4 kann in besonders vorteilhafter Weise jedoch auch in Anwendung der neuen Lehre ein Biegeträger wesentlich verbessert werden. Dies geschieht dadurch, daß in den Druckzonen des Bie­ geträgers relativ kleine und dickwandige Hohlkörper und in den Zugzonen relativ große und dünnwandige Hohlkör­ per angeordnet werden. Die Anordnung kann dabei durch die in den Ansprüchen 1 bis 13 vorgeschlagenen Maßnah­ men erfolgen. Besonders zweckmäßig ist dabei natürlich, wenn die keramischen Hohlkörper in Epoxidharz, in Kunststoff oder Leichtmetall eingebettet sind und die­ ser Verbund mit der Hülle zu dem einen Träger bildenden Bauteil - beispielsweise durch Klebung - verbunden ist.

Bevorzugt wird für die keramischen Hohlkörper die Ver­ wendung von Aluminiumoxid-Hohlkugeln vorgeschlagen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Kraft-Weg-Diagramm und

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch ein mit Aluminiumoxid-Hohl­ kugeln verstärktes Bauteil.

Ein in Fig. 1 schematisch dargestelltes Bauteil 3 ist mit drei Lagen keramischer Hohlkugeln gefüllt. Die erste, sich an die Krafteinleitung (dargestellt durch Pfeil 5) anschließende Lage besteht aus relativ großen, dünnwandigen Hohlkugeln 7. Daran schließt sich eine Lage mit mittelgroßen Hohlkugeln 9 an. Schließlich ist noch eine Lage sehr kleiner Kugeln 11 vorgesehen, wel­ che sich von der mittleren Lage bis zum Grund des Bau­ teiles 3 erstreckt.

Über dem Bauteil 3 ist ein Kraft-Weg-Diagramm in Zuord­ nung zu den jeweiligen Lagen von Hohlkugeln aufgetra­ gen. Daraus ist unmittelbar ersichtlich, daß sich in Abhängigkeit von der Größe der keramischen Hohlkugeln über den Weg verschieden hohe Kraftniveaus ergeben. Diese lassen sich - neben dem Durchmesser der Hohlku­ geln - auch über die jeweilige Wandstärke beeinflussen.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil 13 mit einem Kabelkanal 15. Bis auf den Kabelkanal 15 ist das Bauteil 13 vollstän­ dig mit keramischen Hohlkugeln, beispielsweise aus Aluminiumoxid, ausgefüllt. Die Hohlkugeln sind in einer Matrix angeordnet und mit der Außenwandung des Bauteils 13 verbunden.

Die Anordnung der keramischen Hohlkugeln ist so getrof­ fen, daß im Außenbereich ein kleiner Kugeldurchmesser vorherrscht, wodurch dort eine höhere Druckfestigkeit gegeben ist. Im Innenbereich, also den Kabelkanal um­ schließend, sind relativ große Hohlkugeln angeordnet, die entsprechend der geringeren Belastung in diesen Zonen eine geringere Druckfestigkeit aufweisen. Die größeren Hohlkugeln reduzieren durch ihr geringeres spezifisches Gewicht darüber hinaus auch das Bauteilge­ wicht.

Claims (15)

1. Bauteil, umfassend eine Hülle mit darin aufgenom­ menen keramischen Hohlkörpern, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzielung einer abgestimmten Kennung des Bauteiles die keramischen Hohlkörper in mindestens zwei Lagen in die Hülle eingebracht sind, wobei sich die Hohlkörper jeder Lage durch ihren Durchmesser und/oder ihre Wandstärke unter­ scheiden.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in einer oder mehreren vorge­ formten Packungen zusammengefaßt sind.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung durch in einer PE-Folie vakuumver­ schweißte Hohlkörper erzeugt ist.

4. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung durch einen mit den Hohlkörpern gefüllten Kunststoff- oder Leichtmetall-Formkörper gebildet ist.

5. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper mittels Epoxidharz zu einer Packung zusammengefügt sind.

6. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in einer Kunststoff-Schaummat­ rix eingebettet sind.

7. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in einer Matrix aus Leichtme­ tall eingebettet sind.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hohlkörpern und/oder als Deckschicht ein Gewebe zur Aufnahme von Zugkräften vorgesehen ist.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung mit der Hülle durch Klebung verbunden ist.

10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung einer gleichmäßig dicken Kleberschicht an der Außenseite der Packung Ab­ standselemente (Noppen) angeformt sind.

11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil mit einer durchge­ henden Aussparung versehen ist.

12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in das Bauteil sog. Inserts (z. B. Gewindebuchse) mit eingeformt sind.

13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Inserts mit Hinterschneidungen versehen sind und/oder einen unrunden Querschnitt zur form­ schlüssigen Verbindung mit den Hohlkörpern und/ oder dem Matrixwerkstoff aufweisen.

14. Bauteil, welches einen Biegeträger bildet, nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Packung in den Druckzonen des Biegeträgers relativ kleine und dickwandige Hohl­ körper und in den Zugzonen relativ große und dünn­ wandige Hohlkörper umfaßt.

15. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Hohlkörper Aluminiumoxid-Hohlkugeln sind.