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Die Sandwichbauweise - Leichtbau leicht gemacht!

by Armin Rosenmaier

Sandwichelemente gehören zu den wichtigsten Verbundstrukturen im Leichtbau. Aufgrund dessen werden jene Elemente in zahlreichen Branchen, wie der Luft- und Raumfahrt, dem Rennsport aber auch dem Maschinenbau eingesetzt.  Eine Sandwichplatte besteht prinzipiell aus einem inneren Kern, mit geringer Steifigkeit und geringer Dichte, welcher von zwei Außenschichten eingeschlossen ist. Diese Elemente sind über spezielle Strukturklebstoffe bzw. dem Harzsystem der Außenschichten zueinander verbunden.

Es gibt viele verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Kernen und Deckschichten. In diesem Artikel wird aber besonderes Augenmerk auf die Deckschichten aus Carbon oder Glasfasern, kurz CFK und GFK, in Verbindung mit verschiedenartigen Kernwerkstoffen gelegt. Zudem werden die Vor- und Nachteile der Sandwichbauweise näher erläutert.

Sandwich CFKAbbildung 1: Schematische Darstellung der Sandwichbauweise

Inhaltsverzeichnis:
1. Welche Kernwerkstoffe kommen zum Einsatz?
2. Worin liegen die Vorteile der Sandwichbauweise?
3. Worin liegen die Nachteile der Sandwichbauweise? 
4. Fazit

Welche Kernwerkstoffe kommen zum Einsatz?

Bei der Herstellung von Carbon-Sandwichelementen sind vor allem die Kernmaterialien essentiell, weil diese die größte Fläche im Sandwichquerschnitt darstellen. Dabei gibt es eine große Auswahl an möglichen Kernwerkstoffen. Für Carbonbauteile, welche mittels der Autoklaventechnologie gefertigt werden, kommen aber hauptsächlich Nomex- und Metallwaben oder geschlossenzellige Schäume, wie zum Beispiel Rohacell oder Airex, zum Einsatz.

Wabenkerne

Wabenkerne besitzen gewichtsbezogen die höchste Druckfestigkeit aller Stützstoffe und eine sehr gute Chemikalien-, Schlag-, Vibrations- und Ermüdungsbeständigkeit. Sie sind sehr flexibel und daher auch gut für Bauteile mit sphärischen Rundungen geeignet. Grundsätzlich werden bei der Prepreg-Fertigung (Prepreg = vorimprägniertes textiles Faser-Matrix-Halbzeug) zwei Arten von Waben eingesetzt, Nomex oder Aluminiumwaben. Nomex ist ein Nylonähnliches, Aramidpolymer, das schwer entflammbar ist und in Papierblattform hergestellt wird. Aufgrund der schweren Entflammbarkeit und der sehr geringen Dichte werden Nomex-Sandwichelemente  häufig für Teile in Flugzeugkabinen, aber auch für äußere Abdeckungen in der Luftfahrt verwendet.

honeycomb carbonAbbildung 2: Darstellung unterschiedlicher Wabenkerne vor der Verarbeitung

Im Vergleich dazu haben Aluminiumwaben ein etwas höheres Flächengewicht. Dadurch können mit jenen aber höhere Lasten aufgenommen werden. Aufgrund der Kontaktkorrosion werden Aluminiumwaben zumeist aber nur in Kombination mit Glasfaser-Prepregs eingesetzt.  

Die Herstellung der beiden Wabenstrukturen erfolgt über einen ähnlichen Prozess. Es werden dafür mehrere Lagen des Papiers bzw. des Bleches übereinander gelegt und an den Knotenstellen durch Klebelinien verklebt. Diese Klebelinien werden bei jeder Schicht versetzt, sodass beim Strecken des Klebebündels das typische Wabenmuster sichtbar wird. Zur Gewährleistung der gewünschten Sandwichstärke wird das Bündel nach dem Verkleben in „Scheiben“ geschnitten und die Waben danach ausgestreckt.

Sandwich Aufbau

Abbildung 3: Herstellung eines Wabenkerns

Geschlossenzellige Schäume

Alternativ zu den Wabenkernen werden üblicherweise geschlossenzellige Schäume verwendet. Bei Prepreg-Bauteilen kommt dabei hauptsächlich ein PMI-Schaum, wie beispielsweise Rohacell, zum Einsatz. Dieser zeichnet sich im Wesentlichen durch seine hohe Beständigkeit gegen Druck und Temperatur aus, welche für den Aushärtungsprozess im  Autoklaven sehr wichtig ist. Ein weiterer Vorteil von Schaumkernen ist, dass diese in nahezu jede beliebige Form gefräst oder thermisch umgeformt werden können, wodurch die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht wird.

Worin liegen die Vorteile der Sandwichbauweise?

Verschiedene Carbon-Strukturen sind in ihrer Funktion des Öfteren Biegebelastungen ausgesetzt. Dabei tragen die Deckschichten Biegemomente als Zug- und Druckbeanspruchungen in Längsrichtung, während die Kernschicht Querkräfte als Scherbeanspruchung aufnimmt. Um eine höhere Biegefestigkeit von flächigen Bauteilen zu gewährleisten, können ihre Querschnitte erhöht werden. Folgende Abbildungen zeigen die Beanspruchung einer Sandwichstruktur bei Biegebelastung, wie auch die Auswirkungen einer Kern-Querschnittsvergrößerung auf die Steifigkeit und Biegefestigkeit jener Struktur.

Sandwich Struktur                           Abbildung 4: Beanspruchung einer Sandwichstruktur bei Biegebelastung

 

Carbon Decklage-1Abbildung 5: Auswirkungen einer Kern-Querschnittsvergrößerung

Durch die Verdoppelung der Bauteildicke wird die Steifigkeit versieben facht. Zudem steigt das Gewicht bei dieser Verdoppelung um lediglich 3%. Somit ist es sinnvoll biegebeanspruchte Bauteile nicht aus „Vollmaterial“ zu fertigen, sondern die Deckschichten, in etwa aus Carbon, möglichst weit außen zu platzieren.

Ein weiterer Vorteil von Sandwichelementen ist, dass Platten in diversen Formaten und Stärken vorproduziert werden können. Diese Sandwichplatten  können dann mittels CNC-Fräsen in die gewünschte Form geschnitten werden (2D). Aus diesen Plattenbauteilen, können dann ähnlich wie beim Möbelbau, sehr stabile Konstruktionen mittels Steck oder Schraubverbindungen erstellt werden, ohne dafür eigens Werkzeuge anfertigen zu müssen.

Worin liegen die Nachteile der Sandwichbauweise?

Es gibt natürlich auch Nachteile, welche die Verwendung von Sandwichelementen mit sich bringen kann. Beispielsweise kann es bei Aufprall- bzw. Schlagereignissen leichter zur Delamination der Deckschichten vom Kern kommen. Aufgrund der offenzelligen Wabenstruktur kann es auch zu Feuchtigkeitseintritt nach einem Schadensereignis in den Verbund kommen. Zudem neigen Sandwichelemente bei falscher Auslegung unter hohen Druckbelastungen zum „Crashen“, was das Zusammenbrechen des Sandwichkerns bedeutet.

Aramid WabenAbbildung 6: Prepreg mit Schutzfolie und Aramid Wabenkerne

Fazit

Ein Sandwich besteht immer aus zwei steifen Decklagen die vorwiegend Spannungen und Scherbelastungen in der Ebene aufnehmen und einem leichten und druckstabilen Kern der die Decklagen für eine hohe Biegesteifigkeit trennt. Bei der Verarbeitung von Carbon-Sandwich-Bauteilen im Autoklaven kommen dabei vor allem Nomex- und Aluminiumwabenkerne, wie auch Kerne aus geschlossenzelligen Schäumen zum Einsatz. Sandwichpaneele können in vielen Branchen eingesetzt werden und tragen aufgrund der geringen Massen erheblich zur Gewichtsreduktionen von Bauteilen bei.

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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