Die Erfindung nach betrifft eine Faltungs-Struktur-Bauweise für technische Scheiben, Schalen und Membranen, die dem Konstrukteur als voll parametrisierbares Gestaltungselement verfügbar gemacht werden kann.
Die Faltungs-Struktur-Bauweise ist verzerrungsneutral, d.h. das Halbzeugmaterial wird bei der Herstellung nicht in der Fläche plastifiziert (gedehnt, gestreckt, gerafft), sondern lediglich an der Knickkontur (den Faltlinien) verformt. Vorbild für die (technische) Faltungs-Struktur-Bauweise sind die Blattnarben an Palmen, Kaktusgewächsen und anderen Pflanzen.
Transactions in Bionic Patents. Vol. 003
Membranfaltstruktur als Konstruktionselement
University of Applied Sciences Berlin, Germany
BIONIC RESEARCH UNIT
Transactions in Bionic Patents
Traktat über die Beiträge zu den "Transactions in Bionic Patents"
Die "Transactions in Bionic Patents" bilden eine Sammlung von Schriften zu
Patent- und Gebrauchsmusteranmeldungen im Themenfeld Biologie &
Technik die in loser Reihenfolge und Terminus erscheint.
Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der "Transactions in Bionic
Patents" sind Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit
aktuellen Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten
und unbelebten Natur und ihre patentrelevante Umsetzung.
Mit den "Transactions in Bionic Patents" soll der Fortschritt auf dem Gebiet
der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten
Patente und Gebrauchsmuster frei von Rechten Dritter und mit ausdrücklicher
Genehmigung der Patentanmelder und Inhaber dem Leser dieser Schriften
zur Nutzung verfügbar werden.
Gleichzeitig wird ein tieferes Verständnis der Bionik innerhalb des Fachs und
der Öffentlichkeit her- und ein rezentes Problemfeld wirklichkeitsnah und
verständlich dargestellt. Als Übergeordneter Aspekt gilt es, Lösungswege der
Übertragung biologischer Phänomene zu untersuchen, auszuleuchten und
Fragestellungen die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik
nachzugehen sowie Forschung und Ausentwicklung zum Thema anzustoßen
Die Beiträge zur Schriftensammlung "Transactions in Bionic Patents" sind in
deutscher Sprache verfasst. Dem Text kann eine teilweise oder vollständige
Übersetzung in englischer Sprache beigestellt werden; Art, Umfang,
Anordnung und Organisation der Textteile sind dem Autor überlassen und
frei. Die englische Fassung soll den Umfang der deutschen Fassung nicht
überschreiten.
In einer Ausgabe der Schriftensammlung "Transactions in Bionic Patents"
soll nur ein Werk platziert werden. Der Text kann durch Abbildungen ergänzt
werden; die Bildrechte und andere Urheberrechte sind dabei zu achten.
Die jeweiligen Gebrauchsmuster- oder Patentschriften sind dem Anhang
beigefügt.
M. Dienst, Berlin.
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Membranfaltstruktur als Konstruktionselement
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Technische Beschreibung
IPC F16S 5/00 (2006.01) Gebrauchsmuster Nr. 20 2009 003 570.0
Membranfaltstruktur als Konstruktionselement
Stand der Technik und Wissenschaft
Bleche und Membranen. Dünnwandige Metallstrukturen leisten
einer Verformung weitaus mehr Widerstand als massive
Konstruktionen gleichen Gewichts. Neben Metallen sind
zunehmend Kunststoffe als Materialien für dünnwandige
Konstruktionen (Membranen, Scheiben und Schalen) von
Interesse.
Oberflächenstrukturierte Membranen besitzen eine Vielzahl
technisch nützlicher Eigenschaften, etwa der Zugewinn an
mechanischer Festigkeit und Bauteilsteifigkeit gute Wärme-
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übergangseigenschaften bei Benetzung und Gestaltänderungs-
und Verformungseigenschaften.
Eine große Bedeutung haben strukturierte Bleche im
Karosseriebau und in der Luftfahrtindustrie. In den
Ingenieurwissenschaften sind Faltstrukturen, Ausbeulungen und
Sicken für Blechkonstruktionen Gegenstand rezenter Forschung
und Entwicklung. Ziel ist die Vermeidung von Dröhngeräuschen
bei großen, ebenen Blechen und lokale Versteifung der gesamten
Konstruktion. Faltstrukturen können bei richtiger Auslegung
Spannungsspitzen im Blech abbauen, die durch Umformprozesse
hervorgerufen werden.
Biologie. Die Biologie hat im Laufe der Evolution äußerst
effiziente Lösungen hervorgebracht. Die belebte Natur verwendet
das ,,Gestaltungselement Falte" intensiv und in vielfältigen
Variationen. Die Phänomene natürlicher Muster- und
Gestaltentstehung, die Prinzipien biologischen Strukturaufbaus
und Gestaltwandels, die Grundmechanismen des Wachstums und
der Differenzierung bei der Individualentwicklung sind Gegenstand
der Forschung. Aus der Verpackungstechnik ist bekannt, dass
natürliche Faltstrukturen Vorbild für die Entwicklung innovativer
Verpackungslösungen sein können. Es zeigt sich beispielsweise,
dass künstliche Faltungen nach dem Vorbild der Natur bei
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gleichem Strukturaufwand handelsüblichen Wellpappen überlegen
sind und diese bei der Lösung von Verpackungsproblemen
ersetzen können. Ein Beispiel funktionaler Faltstrukturen in der
belebten Natur sind die Blattnarben an Palmen und
Kaktusgewächsen, die durch die Verfestigung des Stammes dem
Emporwachsen der Pflanze dienen.
Technik. Die Wölbstruktur ist eine versetzte 3D-
Wabenanordnung, die typische Merkmale eines Selbstorgani-
sationsprozesses aufweist. Das Material springt durch leichten
Druck von außen aus seiner Ausgangslage in die dritte Dimension
und bildet so hexagonale Strukturen.
Bei der Übertragung von Prinzipien und Bauweisen (Falten,
Muster und Strukturen) der belebten Natur auf Technik
(Strukturelemente, Pakettierungen) sind Fragen hinsichtlich der
Lage des Strukturelements, seine Form, Verlauf der
Elementkanten und Radien sowie die Anordnung von
verschiedenen Strukturelementen zueinander Gegenstand
rezenter Forschung.
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Problembeschreibung
War bislang bei der Entwicklung von Halbzeugen und
gebrauchsfertigen Produkten die von allen Belastungsrichtungen
beaufschlagbare Blech- bzw. Kunststoffkonstruktion das Ziel,
richten sich die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen im
Zeitalter computerunterstützter Simulation und Berechnung auf
den gerichteten, nicht isotropen Belastungsfall. Hier sind Sicken-
Beulen- und Faltstrukturen gefragt, die auf eine definierte
Beaufschlagung mit einem definiertem elastischen Verformungs-
gebaren antworten.
Bleche mit Sicken und Wölbstrukturen erleiden bei der Herstellung
Verschiebungen und Verzerrungen, die ihre Ursache in einer
Plastifizierung des Halbzeugmaterials in der Fläche, fern der
Knickkontur und der Faltlinien der Gestaltgebenden Formelemente
haben. Da sich in diesem Fall auch die Materialeigenschaften
verändern, ist in manchen Fällen der technischen Anwendung von
Blech- und Verbundwerkstoffhalbzeugen (Flugzeugbau, Yachtbau)
eine Plastifizierung des Materials fern der Knickkontur nicht
erwünscht
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Problemlösung
Die Erfindung nach Anspruch 1 betrifft eine Faltungs-Struktur-
Bauweise für technische Scheiben, Schalen und Membranen, die
dem Konstrukteur als voll parametrisierbares Gestaltungselement
verfügbar gemacht werden kann.
Die Faltungs-Struktur-Bauweise ist verzerrungsneutral, d.h. das
Halbzeugmaterial wird bei der Herstellung nicht in der Fläche
plastifiziert (gedehnt, gestreckt, gerafft), sondern lediglich an der
Knickkontur (den Faltlinien) verformt. Vorbild für die (technische)
Faltungs-Struktur-Bauweise sind die Blattnarben an Palmen,
Kaktusgewächsen und anderen Pflanzen.
Erreichbare Vorteile
Die Verfügbarkeit voll parametrisierter Gestaltungselemente führt
in der Konstruktionspraxis zu einer Kraftfluss gerechten,
richtungsabhängigen Gestaltung von Blech- und Kunststoff-
bauteilen.
Die Lage der Strukturelemente, deren Form, der Verlauf der
Elementkanten und Radien sowie die Anordnung von
verschiedenen Strukturelementen ist durch geeignete
Parametrisierung einer computerunterstützten Simulation und
Optimierung zugänglich.
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Die Verzerrungsneutralität der Faltungs-Struktur-Bauweise in der
Fläche bietet Vorteile bei der Konfektionierung von Blech- und
Verbundwerkstoffhalbzeugen im Fahrzeugbau.
In der Verpackungstechnik und anderen Branchen, wo Karton-,
Papp- und Papierfaltwerke zur Anwendung kommen, ist die
Verzerrungsneutralität vorteilhaft.
Aufbau, Anfertigung
Das Grundelement der Faltungs-Struktur-Bauweise nach
Anspruch 1 beschreibt eine linsenförmige Kontur mit einer
Anschlusslinie in den beiden Eckpunkten ( Figur 1 ). Entlang
dieser Konturkanten wird das Material gebogen (technologisch:
geknickt, gekantet). Das Grundelement ist rapportierbar ( Figur 2 ):
eine Faltstruktur entsteht. Bearbeitet, bilden die Konturen
benachbarter Elemente periodisch Täler und Höhen aus
(schematisch in Figur 3). Die Faltungs-Struktur-Bauweise ist
universell und kann (gestaltungsbedingt) verzerrungsneutral
ausgeführt werden.
Figur 4 zeigt ein einzelnes Element an jeder Körperkante eines
Verpackungskartons.
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In Bleche werden die Konturkanten gebogen. Bei
Kunststoffmembranen kommen übliche Technologien, wie
Tiefzieh-, Vakuum-, Blasverfahren zu Anwendung.
Membranen, Scheiben und Schalen in Faltungs-Struktur-
Bauweise nach Anspruch 1 weisen in Lateralrichtung eine, im
Vergleich zu nicht strukturierten Bauteilen, höhere Formstabilität
auf.
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Schutzansprüche
1. Membranfaltstruktur-Bauweise dadurch gekennzeichnet,
dass linsenförmige Faltungskontur mit einer geradkantigen
Anschlusslinie in den Eckpunkten ein dreidimensionales
Grundelement bilden.
2.
Membranfaltstruktur-Bauweise dadurch gekennzeichnet,
dass durch Rapportieren und Positionieren eines
Grundelementes nach Anspruch 1 in der Ebene und ein 3-
dimensionales periodisches Muster entsteht
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Besondere an der Membranfaltstruktur?
Die Struktur ist verzerrungsneutral, das heißt, das Material wird bei der Herstellung nicht gedehnt oder gestreckt, sondern nur an den Faltlinien verformt.
Was dient als biologisches Vorbild für diese Bionik-Erfindung?
Vorbilder sind die Blattnarben an Palmen, Kaktusgewächsen und anderen Pflanzen in der Natur.
Welche technischen Vorteile bieten diese Strukturen?
Sie erhöhen die mechanische Festigkeit und Bauteilsteifigkeit bei geringem Gewicht und verbessern die Wärmeübergangseigenschaften.
In welchen Industrien finden solche Strukturen Anwendung?
Vor allem im Karosseriebau und in der Luftfahrtindustrie sind strukturierte Bleche und Membranen von großer Bedeutung.
Was sind die "Transactions in Bionic Patents"?
Es ist eine Schriftenreihe der Bionic Research Unit (HTW Berlin), die Patente und Gebrauchsmuster im Bereich Bionik wissenschaftlich aufarbeitet und zur Nutzung verfügbar macht.
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- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2012, Transactions in Bionic Patents - Membranfaltstruktur als Konstruktionselement, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/204926
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