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DE102004057854A1 - Umformbares Sandwich-Halbzeug - Google Patents

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DE102004057854A1
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DE102004057854A
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Inventor
Torsten Schumann
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein umformbares Sandwich-Halbzeug, das insbesondere im Möbelbau sowie im Innenausbau von Fahrzeugen als flächiges, einfach gekrümmtes Bauteil (2D-Formteil) verwendet werden kann. DOLLAR A Das Sandwich-Halbzeug besteht aus zwei Halbzeughälften mit je einer dünnwandigen, elastisch verformbaren Grund- oder Deckschicht, auf der eine Anzahl stab- oder streifenförmiger Elemente im wesentlichen parallel und zueinander beabstandet angeordnet ist. DOLLAR A Vor dem losen Zusammenfügen beider Halbzeughälften des umformbaren Sandwich-Formteiles werden zumindest die Seitenflächen der steg- oder streifenförmigen Elemente mit einem aktivierbaren Klebemittel benetzt. Das Sandwich-Halbzeug wird nachfolgend mit bekannten Umformverfahren plastisch verformt. So kann die Formgebung in einem mehrteiligen Pressengesenk erfolgen. Erst nachdem das Halbzeug in den Gesenkhälften den gewünschten Umformgrad erreicht hat, werden die Klebstoffpartikel durch Zufuhr von Energie aktiviert. In Abhängigkeit vom verwendeten Klebstoff verbleibt das umformbare Sandwich-Halbzeug temporär im Gesenk. Nachfolgend wird das Teil entnommen und entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck weiterbearbeitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein umformbares Sandwich-Halbzeug, das insbesondere im Möbelbau sowie im Innenausbau von Fahrzeugen als flächiges, einfach gekrümmtes Bauteil (2D-Formteil) verwendet werden kann.
  • Sandwichelemente sind zu einem Schichtverbund stoffschlüssig zusammengefasste mehrlagige Anordnungen flächiger Elemente, wobei es zusammenhängende Grenzflächen ohne Vermengung der einzelnen Komponenten (Lagen) untereinander gibt. In der Regel sind sie aus zwei dünnen und festen zugkraftübertragenden Deckschichten und einem dazwischenliegenden dicken schubkraftübertragenden druckfesten Kern geringer Dichte zum Gewähren des Abstandes und einer Schubkraftübertragung von Deckschicht zu Deckschicht aufgebaut, wobei alle Schichten fest (zumeist stoffschlüssig über Klebstoff) miteinander verbunden sind. Derartige Sandwich-Bauelemente eignen sich aufgrund ihrer Struktur nicht für eine nachfolgende, zweidimensionale Umformung in einer Ebene.
  • Aus der DE 4130620 C2 ist ein Verfahren zum Umformen von Sandwichelementen, insbesondere zum Biegeumformen eines ebenflächigen Gegenstandes mit Wabenstruktur bekannt. Das Formteil entsteht durch Aushärten einer, in einer Form fixierten Wabenstruktur. Dabei werden die an der äußeren Seite auftretenden Zugspannungen vermindert. Verfahren und Vorrichtung setzen eine längere Verweilzeit des Halbzeuges beim Umformen in der Biegevorrichtung voraus und verursachen daher höhere Fertigungskosten.
  • Aus der DE 38 31 363 A1 ist ein Verfahren zum Biegen von Sandwichplatten bekannt, bei dem am Halbzeug eine oder mehrere Biegerinnen durch Einprägungen in der inneren Deckschicht ausgebildet werden. Dabei wird der festigkeitsbestimmende Kern zerstört.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein umformbares Sandwich-Halbzeug vorzuschlagen, das die Nachteile des bekannten Standes der Technik eliminiert, das aufgrund seiner geringen Masse vorteilhaft im Fahrzeugbau, aber auch im Möbelbau und im Innenausbau eingesetzt werden kann. Dabei soll das Sandwich-Halbzeug mit einfachen Mitteln auch im kalten Zustand in einer Ebene biegeverformbar und bei kleinen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar sein.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein umformbares Sandwich-Halbzeug, bestehend aus zwei Halbzeughälften mit je einer dünnwandigen, elastisch verformbaren Grund- oder Deckschicht, auf der eine Anzahl stab- oder streifenförmiger Elemente im wesentlichen parallel und zueinander beabstandet angeordnet sind.
  • Geometrie, Lage und Größe der beabstandeten stabförmigen Elemente sind so gestaltet, dass die beiden Halbzeughälften des umformbaren Sandwich-Halbzeuges in axialer Richtung (y-Richtung) ineinander geschoben werden können oder in z-Richtung ineinander einschiebbar sind (1). Dabei greifen die stabförmigen Elemente oder Stege der oberen Halbzeughälfte formschlüssig in die zugehörigen Ausnehmungen der unteren Halbzeughälfte ein.
  • Die beiden Halbzeughälften sind vorteilhaft als formideale Gegenstücke ausgebildet. Die stabförmigen Elemente weisen bevorzugt eine offene Struktur auf, die das Eindringen von Klebstoff ermöglicht.
  • Grund- und Deckschicht bestehen aus einem dünnwandigen, elastisch verformbaren Werkstoff, wie einem Holzfurnier, einer Papierlage, einem Laminat aus Papier oder einem faserverstärkten Kunststoff. Ebenso sind Kombinationen mehrerer der vorgenannten Lagen zu einer Grund- oder Deckschicht möglich.
  • Die stab- oder stegförmigen Elemente sind mit der Grund- bzw. Deckschicht mechanisch oder thermisch verbunden. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung durch geeignete Klebstoffe.
  • Die stabförmigen Elemente sind so ausgebildet, dass beide Halbzeughälften vorteilhaft in axialer Richtung (y-Achse) ineinander geschoben werden können oder in z-Richtung ineinander einschiebbar sind. Dabei greifen die profilierten Elemente oder Stege der oberen Halbzeughälfte formschlüssig in die zugehörigen Ausnehmungen der unteren Halbzeughälfte ein. Vor dem losen Zusammenfügen beider Halbzeughälften des umformbaren Sandwich-Formteiles werden zumindest die Seitenflächen der steg- oder streifenförmigen Elemente mit einem aktivierbaren Klebemittel benetzt. In Abhängigkeit von der gewünschten Festigkeit können zusätzlich auch die Zwischenräume zwischen den benachbarten stabförmigen Elementen bzw. die Stirnseite dieser Elemente mit Klebemittel benetzt werden.
  • Das neuartige, umformbare Sandwich-Halbzeug wird nachfolgend mit bekannten Umformverfahren plastisch verformt. So kann die Formgebung in einem mehrteiligen Pressengesenk erfolgen. Nachdem das Halbzeug in den Gesenkhälften den gewünschten Umformgrad erreicht hat, werden die Klebstoffpartikel durch Zufuhr von Energie (Wärmestrahlung, hochfrequente Energiefelder, etc.) aktiviert. In Abhängigkeit vom verwendeten Klebstoff verbleibt das umformbare Sandwich-Halbzeug temporär im Gesenk. Nachfolgend wird das Teil entnommen und entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck weiterbearbeitet.
  • Überraschend wurde festgestellt, dass bereits beim Fügen der beiden Halbzeughälften des umformbaren Sandwich-Halbzeuges durch das kammartige Ineinandergreifen der vorzugsweise profilierten, stegförmigen Elemente ein fester Verbund geschaffen wird, der in der Lage ist, Normalkräfte aufzunehmen. Bei der nachfolgenden plastischen Umformung kommt es zu einem intensiven Verkrallen bzw. Verklammern der einander berührenden Seitenflächen benachbarter Stege. Bereits dadurch wird zu einem erheblichen Maß die ungewollte elastische Rückfederung des umformbaren Sandwich-Halbzeuges minimiert. Neben den wirkenden Adhäsionskräften kommt es beim Aushärten des Klebers durch die Kohäsions- und Adhäsionskräfte zu einem dauerhaften Verbund des umgeformten Sandwich-Halbzeuges.
  • Durch den formschlüssigen Verbund der beiden Halbzeughälften des Sandwich-Halbzeuges und die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung beider Hälften nach dem Aushärten des Klebers entsteht ein Leichtbau-Formteil, das gegenüber anderen, zwei- oder dreidimensional verformbaren Halbzeugen eine geringe Dichte aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht im möglichen Einsatz nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung der Grund- und Deckschicht sowie der steg- oder streifenförmigen Elemente, die den Kern des Leichtbau-Halbzeugs bilden. So können Grund- und Deckschicht aus Holzfurnier oder aus Papierlagen gefertigt werden.
  • Die steg- oder streifenförmigen Elemente des umformbaren Kerns bestehen vorteilhaft aus einem Wabenprofil mit gerichteter Struktur. Der Biegevorgang erfolgt dabei um die x-Achse (1) bzw. raumparallele Achsen senkrecht zur Längsrichtung der steg- oder streifenförmigen Elemente in Plattenebene.
  • Bei der Biegeumformung des Sandwich-Halbzeuges in die vorgesehene Richtung verschieben sich die jeweils benachbarten stegförmigen Elemente sowie die Deck- und Grundschicht gegenläufig und parallel zueinander. Dadurch wird eine elastische Biegeverformung des Halbzeuges ohne plastische Verformung der Grund- und Deckschichten ermöglicht. Die Richtungen der möglichen Biegeumformung sind dabei durch die Ausrichtung der streifen- oder lamellenartigen Elemente fixiert.
  • Als weiterhin vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass es durch das Verhaken bzw. Verkrallen der Seitenflächen benachbarter stegförmiger Elemente vor dem Einleiten des plastischen Umformprozesses zu einer gleichmäßigen Spannungsverteilung im Halbzeug kommt (quasi spannungsfreies Bauteil).
  • Das umformbare Sandwich-Halbzeug kann in Abhängigkeit von der späteren Verwendung mit unterschiedlichen Grund- und Deckschichten ausgebildet sein. So ist es aus Kostengründen hinreichend, wenn z. B. im Innenausbau von Schienenfahrzeugen nur die dem Betrachter zugewandte, dekorative Schicht aus höherwertigem Material, wie z. B. einem ein- oder mehrlagigen Holzfurnier besteht. Demgegenüber kann die abgewandte Grund- oder Deckschicht je nach Belastungssituation aus einem hochverdichteten Papierlaminat oder einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sein, die die Druck- und Zugspannungen sicher aufnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Halbzeug ermöglicht vorteilhaft eine plastische Verformung im kalten Zustand. Dadurch kann auf den Einsatz kostenintensiver beheizbarer Membranpressen oder von Öfen verzichtet werden.
  • In Abhängigkeit vom späteren Verwendungszweck können auch die Eigenschaften des umgeformten Halbzeuges durch gezielte Auswahl der Werkstoffe für die Grund- und Deckschicht sowie die Kernschicht bestimmt werden.
  • Durch die Verwendung des innovativen, umformbaren Sandwich-Halbzeuges kommt es im Bereich üblicher Biegeradien nicht zu der sonst beobachteten Rissneigung in der zugbeanspruchten Zone oder zu einer Faltenbildung im Druckbereich. Ebenso wird das Abreißen der Stege von der Grund- bzw. Deckschicht wirksam verhindert.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn sich die gegenüberliegenden Stege der beiden Komponenten des umformbaren Sandwich-Halbzeuges beim elastischen Fügen soweit durchdringen, dass die Stirnflächen der Stege die Oberfläche der gegenüber liegenden Grund- bzw. Deckschicht berühren.
  • Als ebenso vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn nach dem elastischen Fügen zwischen der Stirnfläche des Steges und der gegenüber liegenden Oberfläche der Grund- oder Deckschicht ein Abstand von etwa 0,5 mm bis 2,0 mm verbleibt. Dadurch können überschüssiger Klebstoff oder vorhandene Luftblasen in den vorhandenen Zwischenraum eindringen bzw. durch den gebildeten Kanal abgeleitet werden.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben und in zugehörigen Zeichnungen illustriert.
  • Es zeigen:
  • 1: Ein umformbares Sandwich-Halbzeug, bestehend aus zwei Halbzeughälften vor dem elastischen Zusammenfügen (Abbildung a) sowie nach der plastischen Umformung (Abbildung b)
  • 2: Eine alternative Struktur der beiden Halbzeughälften in einer stark schematisierten, geschnittenen Seitenansicht
  • 3: Eine weitere alternative Gestaltung der Halbzeughälften
  • 4: Ein Wabenprofil mit gerichteter Struktur (Welle-Steg-Wabe).
  • 1, Abbildung a zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Sandwich-Halbzeug, das durch Fügen aus zwei Halbzeughälften 1, 2 hergestellt wird.
  • Die Grundschicht 2 besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Die Deckschicht 1 besteht aus einem dünnen Holzfurnier. Die beabstandeten stabförmigen Elemente 5 bestehen aus Polyurethan-Schaumstoff und sind mittels Klebstoff mit der Grund- bzw. Deckschicht 3, 4 verbunden.
  • Der rechteckige Querschnitt der parallel angeordneten, stabförmigen Elemente 5 erlaubt ein einfaches Fügen der beiden Halbzeughälften 1, 2 durch Schub in z-Richtung.
  • Vor dem Fügen der Halbzeughälften wird die Oberfläche der Fügepartner mit einem aktivierbaren Klebstoff benetzt. Beim Fügen der Halbzeughälften wird durch das kammartige Ineinandergreifen der stegförmigen Elemente 5 ein fester Verbund geschaffen wird, der in der Lage ist, Normalkräfte aufzunehmen.
  • Bei der nachfolgenden plastischen Umformung bei Raumtemperatur im Bieggesenk kommt es zu einem intensiven Verkrallen bzw. Verklammern der einander berührenden Seitenflächen 6 benachbarter Elemente 5.
  • Zur Fixierung wird der Klebstoff durch Wärmezufuhr aktiviert. In Abhängigkeit vom verwendeten Kleber kann die Verweilzeit des Halbzeugs bis auf wenige Sekunden reduziert werden.
  • Abbildung b zeigt das einfach gekrümmte Halbzeug nach der plastischen Biegeverformung um die x-Achse.
  • 2 zeigt eine alternative Struktur der beiden Halbzeughälften 1, 2 in einer stark schematisierten, geschnittenen Seitenansicht. Der trapezförmige Querschnitt der parallel angeordneten, stabförmigen Elemente 5 erlaubt ebenfalls ein einfaches Fügen der beiden Halbzeughälften 1, 2 durch Schub in z-Richtung. Durch die vergrößerten Seitenflächen der Fläche der stabförmigen Elemente 5 kommt es bereits beim Fügen der beiden Halbzeughälften 1, 2 zu einer innigen Verklammerung der einander berührenden Elemente 5.
  • 3 zeigt eine weitere alternative Gestaltung der Halbzeughälften 1, 2. Dabei sind die im Querschnitt trapezförmigen Elemente 5 der beiden Halbzeughälften 1, 2 invers zueinander angeordnet. Das Fügen der beiden Halbzeughälften erfolgt durch axiales Einschieben der Fügepartner in y-Richtung.
  • 4 zeigt ein Wabenprofil mit gerichteter Struktur (Wellpappwabe/Welle-Steg-Wabe), dass vorteilhaft für die Fertigung von stegförmigen Elementen 5 verwendet wird. Die Biegeumformung erfolgt dabei orthogonal oder parallel zu den Wabenhauptstegen.
    • 1
    Halbzeughälfte
    2
    Halbzeughälfte
    3
    Grundschicht
    4
    Deckschicht
    5
    stab-/streifenförmiges Element
    6
    Seitenfläche
    7
    Stirnfläche

Claims (8)

  1. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug, insbesondere für die Verwendung im Möbelbau sowie im Innenausbau, bestehend aus zwei Halbzeughälften (1), (2) mit je einer dünnwandigen, verformbaren Grund- oder Deckschicht (3), (4), auf der eine Anzahl stab- oder streifenförmiger Elemente (5) im wesentlichen parallel und zueinander beabstandet angeordnet sind.
  2. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeugnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der streifenförmiger Elemente (5) so gestaltet ist, dass die beiden Halbzeughälften in axialer Richtung (y-Richtung) oder frontal (z-Richtung) kämmend ineinander einschiebbar sind.
  3. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der streifenförmiger Elemente (5) rechteckig oder trapezförmig ausgebildet ist.
  4. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbzeughälften (1), (2) als formideale Gegenstücke ausgebildet sind.
  5. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- und/oder Deckschicht (3), (4) aus Papier, Pappe, verdichtetem Laminat, Holzfurnier, faserverstärktem Kunststoff oder aus einer Kombination dieser Werkstoffe besteht.
  6. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stab- oder streifenförmiger Elemente (5) aus Schaumstoff oder Wabenstrukturen oder Hohlkörpern aus Papier oder Pappe bestehen.
  7. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörpern aus miteinander verbundenen Röhrchen bestehen.
  8. Umformbares, flächiges Sandwich-Halbzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Elemente (5) zumindest an der Oberfläche eine offene Struktur aufweisen.
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