DE4439159A1 - Rohrkerndoppelplattenkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauelement flächiger Ausdehnung mit hoher Steifigkeit bei geringem Bauteilgewicht, bestehend aus zwei metallischen Deckplatten, welche durch me­ tallische Rohre mit ihren Rohrachsen orthogonal zur Deckplattenoberfläche in beliebiger Anordnung auf Distanz gehalten werden, wobei die Rohre aus dünnwandigen Profilen in Herstellängen mittels eines Trennverfahrens geschnitten werden, so daß an ihren Stirnseiten definierte Stege stehen bleiben, welche in entsprechende Aussparungen in den Deckplatten eingreifen, die ebenfalls mittels eines Trennverfahrens hergestellt werden und somit nach er­ folgter Montage des Rohrkerndoppelplattenkörpers die Rohre und Deckplatten formschlüs­ sig durch ein Fügeverfahren verzugsarm an den Kontaktzonen gefügt werden können.

Bekannt sind eine Vielzahl verschiedener Bauweisen derartiger Leichtbauelemente aus me­ tallischen Werkstoffen, wobei ein Hauptproblem in der wirtschaftlichen Herstellung des Kerns und der Deckplatten einerseits und der Verbindung zwischen der Kernschicht und der Deckschicht andererseits besteht. In Abhängigkeit vom Einsatzgebiet dieser Leicht­ bauelemente muß zwischen festigkeits- und steifigkeitsorientiertem Leichtbau unterschie­ den werden. So stehen bei vielen technischen Anwendungen Festigkeitswerte in Form von Sicherheiten gegen Versagen der Leichtbauelemente im Vordergrund, die Nachgiebigkeiten sind von untergeordneter Priorität. Hier existieren bereits vielfältige technische Lösungen, deren industrielle Umsetzung weitgehend erfolgt ist. Zur wirtschaftlichen Herstellung derar­ tiger Leichtbauelemente werden Klebeverbindungen zwischen Kern und Deckplatten einge­ setzt (z. B. Sandwich-Bauweisen mit Honeycomb-Strukturen usw.). Diese Klebeverbindun­ gen zeichnen sich zwar durch hohe Festigkeiten aus, weisen aber aufgrund der niedrigen E-Module (beispielsweise gegenüber Stahlwerkstoffen) der verwendeten Klebstoffe gerin­ ge Steifigkeiten in den Kontaktzonen zwischen Kern und Deckplatten auf und sind somit nur eingeschränkt für den steifigkeitsorientierten Leichtbau geeignet. Weiterhin sind Klebe­ verbindungen unter thermischer Belastung und unter Fluideinwirkung, wie Öle und Säuren, problematisch. Beim Nieten, wie es vorwiegend im Flugzeugbau eingesetzt wird, treten ähnliche Probleme durch die punktuelle Kraftkonzentration im Nietbereich auf. Im Gegen­ satz hierzu werden zunehmend neue Anwendungen des steifigkeitsorientierten Leichtbaus erschlossen, beispielsweise bei genauigkeitsbestimmenden Leichtbaugruppen in Maschinen, wo geringe Nachgiebigkeiten bei gleichzeitig minimierter Masse gefordert werden. Die Ge­ staltung und Ausführung der Fügeverbindungen zwischen der Kernstruktur untereinander und der Kernstruktur und den Deckplatten beeinflußt wesentlich die Steifigkeit von Doppelplattenkörper-Leichtbauelementen, besonders dann, wenn eine massenminimierte und steifigkeitsoptimierte Bauweise angestrebt wird. Es existieren bisher noch keine ausge­ reiften konstruktiven Lösungen für derartige Leichtbauelemente mit metallischen Fügever­ bindungen zwischen Deckplatten und Kernen, da sie mit bisher bekannten Bauweisen nur aufwendig herstellbar und somit für die industrielle Massenproduktion nur begrenzt geei­ gnet sind. Bisherige Konstruktionslösungen im steifigkeitsoptimierten Leichtbau sind im wesentlichen durch zerspanungsintensive Integralbauweisen und aufwendige Guß- oder Schweißkonstruktionen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauweise für einen wirtschaftlich herstell­ bare Rohrkerndoppelplattenkörper mit geringem Materialeinsatz bzw. Bauteilgewicht und hoher Torsions- und Biegesteifigkeit zu finden, wobei hinsichtlich der Steifigkeit in minde­ stens zwei vorgegebenen Richtungen nahezu eine Isotropie gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Bauweise nach Anspruch 1 und 16 zwei metallische Deckplatten durch metallische Rohre auf Distanz gehalten werden in der Art, daß durch die Gestaltung der Kontaktzonen zwischen den Rohren und den bei­ den Deckplatten entsprechend Anspruch 1 eine Fixierung der Lage der Rohre zu den Deck­ platten nach erfolgter Montage des Rohrkerndoppelplattenkörpers gegeben ist, so daß an­ schließend die Rohre und Deckplatten an den lagebekannten Kontaktzonen am Bauteil stoffschlüssig mittels metallischer Verbindung durch ein oder eine Kombination der unter Anspruch 6 bis 15 genannten Fügeverfahren verzugsarm gefügt werden können, um hohe Bauteilsteifigkeiten zu erreichen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bauweise des beschriebenen Rohrkerndoppelplattenkörpers eine hohe Gesamtsteifigkeit bei minimiertem Bauteilgewicht durch die stoffschlüssige metallische Verbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten gewährleistet, wobei die an den Aussparungen auftretenden Störungen im Kraftfluß der Deckplatten ebenfalls durch den Stoffschluß eliminiert werden. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der konventionellen Sandwichbauweise dar, da im Gegensatz zu bisherigen Klebeverbindungen eine steife Anbindung zwischen Kern (Rohren) und Deckschicht (Deckplatten) realisiert werden kann. Die Biege- und Torsionssteifigkeit des Rohrkerndoppelplattenkörpers wird hierbei primär bestimmt durch den Abstand der beiden Deckplatten (Steiner ′sche Anteil der Flächenträgheitsmomente), die Wahl der Deck­ plattenstärke, die Wahl der Querschnittsabmessungen der Rohre und deren Anordnung und die Steifigkeit der Fügeverbindung zwischen Kern- und Deckschicht. Weiterhin können die Steifigkeiten und die Masse des Leichtbauelements beispielsweise mittels numerischer Be­ rechnungsverfahren wie FEM hinreichend exakt bestimmt werden. Durch den Einsatz mo­ derner CAD/CAM-Werkzeuge in der Konstruktion und NC-gesteuerter Bearbeitungsma­ schinen in der Fertigung ergibt sich die Möglichkeit der optimierten Gestaltung und genau­ en Bearbeitung der Bauteile, da sowohl bei der Schneid- als auch bei der Schweißbearbei­ tung des Rohrkerndoppelplattenkörpers bzw. deren Komponenten selbst komplizierte Bau­ teilkonturen (Stegkonturen der Rohre) durch die NC-Kopplung vom CAD-System zu nu­ merisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen ohne großen Programmieraufwand durchge­ führt werden kann. Die Bauweise der Rohrkerndoppelplatte in Kombination mit modernen Konstruktions- und Fertigungsmethoden bietet weiterhin den großen Vorteil einer wirt­ schaftlichen Fertigung der Einzelteile bzw. des Rohrkerndoppelplattenkörpers.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 16 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 16 führt zu Verbesserungen der Kernschubsteifigkeit mittels der unter Anspruch 17 bis 21 genannten Verfahren, da hierbei die Rohre an ihren Kontaktstellen (Mantelberührungslinien) über eine Verbindung miteinander verfügen, wo­ durch die dynamische Nachgiebigkeit durch Erhöhung der statischen Steifigkeit und Dämp­ fung verbessert und somit die Steifigkeit des gesamten Leichtbauelements zusätzlich erhöht wird.

Der Haupteinsatz dieser Leichtbauelemente liegt bei technischen Anwendungen, wo flächi­ ge Bauelemente hoher spezifischer (auf die Masse bezogener) Biege- und Torsionssteifig­ keit benötigt werden. Dies sind beispielsweise schnell bewegte Maschinentische und Bau­ gruppen, wie sie bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschinen benötigt werden, um die bei hohen Achsbeschleunigungen auftretenden Massenträgheitskräfte zu minimieren und durch geringe Nachgiebigkeiten die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine zu garantieren.

Weiterhin kommen zum Beispiel Anwendungen im Fahrzeugbau und im Flugzeugbau in Betracht, da die massenminimierte Bauweise zu Energieeinsparungen und somit zur Scho­ nung der Energieresourcen beiträgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachste­ hend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Rohrkerndoppelplattenkörper in 3D-Ansicht

Fig. 2 die Schneidbearbeitung der Deckplatten am Beispiel des unter Anspruch 2 ge­ nannten Trennverfahrens "Laserschneiden"

Fig. 3 die Schneidbearbeitung der Rohre am Beispiel des unter Anspruch 2 genannten Trennverfahrens "Laserschneiden"

Fig. 4 die Explosionszeichnung für die Montage der Einzelteile (Rohre, untere und obere Deckplatte) des Rohrkerndoppelplattenkörpers

Fig. 5 die Montage der Rohre auf der unteren Deckplatte des Rohrkerndoppelplatten­ körpers

Fig. 6 der komplett montierte Rohrkerndoppelplattenkörper für die Fügebearbeitung

Fig. 7 die Fügebearbeitung des Rohrkerndoppelplattenkörpers am Beispiel des unter Anspruch 6 genannten Fügeverfahrens "Laserschweißen"

Fig. 8 die Explosionszeichnung einer Anwendung des neuen Rohrkerndoppelplatten­ körpers als hochsteife und leichte Schlittenbaugruppe einer direktangetriebenen, linearen Vorschubachse, eingesetzt bei hochdynamischen innovativen Werkzeug­ maschinen, mit integrierten Krafteinleitungsstellen für die Adaption des Linearfüh­ rungssystems und der Primärteile des Direktantriebsmotors einschließlich der Motorkühleinrichtung

Fig. 9 die schematische Darstellung der Schlittenbaugruppe einer direktangetriebenen Linearachse in 3D-Ansicht als Zusammenbauzeichnung.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau, Herstellungs- und Anwendungsbeispiel der dargestellten Erfindung.

In Fig. 1 ist der Rohrkerndoppelplattenkörper in 3D-Ansicht dargestellt, welche aus der oberen und unteren Deckplatte 2, 3 sowie den Rohren 1 besteht. Die Rohre sind hierbei an ihren Stirnseiten mit definierten Stegen 4 versehen, die in die entsprechenden Aussparungen 5 in den Deckplatten eingreifen.

In Fig. 2 ist die Schneidbearbeitung der Deckplatten am Beispiel des unter Anspruch 2 ge­ nannten Trennverfahrens "Laserschneiden" dargestellt. Die Fertigung der entsprechenden Aussparungen 5 an der Deckplatte 2 wird mittels dem Strahlwerkzeug "Laser" 6 durchgeführt.

In Fig. 3 ist die Schneidbearbeitung der Rohre am Beispiel des unter Anspruch 2 genannten Trennverfahrens "Laserschneiden" dargestellt. Die Fertigung der Rohre 1 mit stirnseitigen Rohrstegen 4 läßt sich ebenfalls mittels Laserschneiden 6 durchführen.

In Fig. 4 ist die Explosionszeichnung für die Montage der Einzelteile (Rohre 1, untere und obere Deckplatte 2, 3) des Rohrkerndoppelplattenkörpers dargestellt.

In Fig. 5 ist die Montage der Rohre 1 auf der unteren Deckplatte 2 des Rohrkerndoppel­ plattenkörpers dargestellt. In diesem ersten Montageschritt werden die fertig bearbeiteten Rohre mit den unteren stirnseitigen Stegen in die entsprechenden Aussparungen der unteren Deckplatte gesteckt, so daß eine paßgenaue Anordnung der Rohre zueinander mit den er­ forderlichen Montagetoleranzen gewährleistet ist.

In Fig. 6 ist der komplett montierte Rohrkerndoppelplattenkörper in 3D-Ansicht darge­ stellt. Bei diesem zweiten Montageschritt wird durch Einführen der oberen stirnseitigen Stege der gesteckten Rohre in die entsprechenden Aussparungen der oberen Deckplatte der Rohrkerndoppelplattenkörper fertig montiert, so daß die Rohre und Deckplatten zueinan­ der durch einen Formschluß fixiert sind.

In Fig. 7 ist die Fügebearbeitung des Rohrkerndoppelplattenkörpers am Beispiel des unter Anspruch 6 genannten Fügeverfahren "Laserschweißen" 7 dargestellt. Hierbei werden die Rohrstege beidseitig in den Aussparungen 5 mit den Deckplatten bzw. zusätzlich an den restlichen stirnseitigen Kontaktflächen stoffschlüssig gefügt.

In Fig. 8 ist eine Anwendung des Rohrkerndoppelplattenkörpers in einer hochdynamischen Vorschubeinheit mit Direktantrieben dargestellt, die beispielsweise in schnellen Achsen ei­ ner Werkzeugmaschine für die HSC-Bearbeitung oder in einer hochdynamischen Laserbe­ arbeitungsmaschine zur Bewegung des Strahlführungssystems bzw. des Werkstücktisches eingesetzt werden kann. In der Explosionszeichnung sind die wesentlichen Bauelemente für einen derartigen Vorschubantrieb dargestellt. Die Tischbaugruppe besteht hierbei aus dem Rohrkerndoppelplattenkörper (Deckplatten 10, 12 und Rohren 11) entsprechend Anspruch 1. Zur Integration der Primärteile 22 des Direktantriebes in die bewegte Tischbaugruppe wird eine Adapterplatte 14 auf die Unterseite des Rohrkerndoppelplattenkörpers aufge­ schweißt, welche nach einer spanenden Bearbeitung eine ebene Montagefläche für die Auf­ nahme der Kühlzwischenplatte 15 und der Kühlplatte 16 mit den integrierten Kühlkanälen für eine Durchflußkühlung gewährleistet. Weiterhin sind für die Aufnahme der Führungs­ wagen 19 des Linearführungssystems 20 an der Unterseite des Rohrkerndoppelplattenkör­ pers entsprechende Adapterplatten 13 angeschweißt, die ebenfalls durch spanende Bearbei­ tung die erforderlichen Bezugsflächen herstellen. Für Krafteinleitungen in den Rohrkern­ doppelplattenkörper mittels Schraubverbindungen werden Hülsen verwendet, die in ent­ sprechende Aussparungen in den Rohrkerndoppelplattenkörper eingeschweißt werden, so daß eine optimale Krafteinleitung ohne Verspannen des Leichtbauelements erfolgen kann. Die Primärteile des Direktantriebes werden anschließend von oben verschraubt. Die Sekun­ därteile des Direktantriebes sind mit dem Linearführungssystem auf dem Gestell montiert. Die beschriebene Anordnung ist für Achsbeschleunigungen von 40 m/sek² geeignet und er­ reicht Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 100 m/min.

In Fig. 9 ist die Zusammenbauzeichnung der hochdynamischen Vorschubeinheit mit Direkt­ antrieben dargestellt.

Claims (21)

1. Rohrkerndoppelplattenkörper mit geringem Bauteilgewicht, bestehend aus zwei metalli­ schen Deckplatten, welche durch metallische Rohre beliebiger Querschnittsform und mit ihren Rohrachsen orthogonal zur Deckplattenoberfläche in beliebiger Anordnung auf Distanz gehaltenen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus dünnwandigen Profilen in Herstellängen mittels eines Trennverfahrens geschnitten werden, so daß an ihren Stirnseiten definierte Stege beliebiger Stegform stehen bleiben, welche in entspre­ chende Aussparungen in den Deckplatten eingreifen, die ebenfalls mittels eines Trenn­ verfahrens hergestellt werden, mit dem Ziel, daß die Lage der Rohre zu den Deckplatten bzw. deren Kontaktzonen nach erfolgter Montage fixiert ist, die Rohre und Deckplatten anschließend formschlüssig an den nun lagebekannten Kontaktzonen am Bauteil durch ein Fügeverfahren verzugsarm verbunden werden und dadurch der Rohrkerndoppelplat­ tenkörper eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit mit annähernd isotropem Steifig­ keitsverhalten aufweist.

2. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Schnittkontur der Rohre und zur Herstellung der Aussparungen in den Deckplatten ein Laserschneidverfahren ist.

3. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Schnittkontur der Rohre und zur Herstellung der Aussparungen in den Deckplatten ein Wasserstrahlschneidverfahren ist.

4. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Schnittkontur der Rohre und zur Herstellung der Aussparungen in den Deckplatten ein Plasmaschneidverfahren ist.

5. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trenn­ verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Aussparungen in den Deckplatten ein Stanzverfahren ist.

6. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füge­ verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Laserstrahlschweißverfahren ist.

7. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füge­ verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist.

8. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füge­ verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Unterpulverschweißverfahren ist.

9. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füge­ verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Schutzgasschweißverfahren ist.

10. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Metallichtbogenschweißverfahren ist.

11. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Gasschmelzschweißverfahren ist.

12. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Punktschweißverfahren ist.

13. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Rollnahtschweißverfahren ist.

14. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Abbrennstumpfschweißverfahren ist.

15. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fü­ geverfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen den Rohren und den Deckplatten ein Lötverfahren ist.

16. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Roh­ re an ihren Kontaktstellen schubsteif miteinander verbunden sind.

17. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch Tiefenschweißung mittels Laserstrahlschweißen entlang von Teilstücken der sich berührenden Mantellinien der Rohre eine schubsteife Verbindung der Rohre untereinan­ der erfolgt.

18. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Lötverfahren entlang der sich berührenden Mantellinien der Rohre eine schub­ steife Verbindung der Rohre untereinander erfolgt.

19. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein galvanisches Verfahren entlang der sich berührenden Mantellinien der Rohre eine schubsteife Verbindung der Rohre untereinander erfolgt.

20. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Klebeverfahren entlang der sich berührenden Mantellinien der Rohre eine schubsteife Verbindung der Rohre untereinander erfolgt.

21. Rohrkerndoppelplattenkörper nach Anspruch 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den beiden Deckplatten ausgeschäumt sind.