Halbzeuge, Materialien, FVK

  • Sandwichstrukturen

    Was sind Sandwichstrukturen?

    Sandwichstrukturen bestehen aus einer leichten Kernstruktur, die beidseitig mit einer Decklage versehen ist. Die Strukturen sind leicht, weisen aber dennoch hohe Biege- und Beulsteifigkeiten auf. Aus diesem Grund sind Sandwichstrukturen ein wesentlicher Bestandteil des modernen Leichtbaus. Kernwerkstoffe sind z.B. Hartschäume, Honeycombs, thermoplastische Formkörper oder Noppenwaben. Als Decklagen können u.a. mit Harz imprägnierte Gewebe oder andere Trägermaterialien (sog. Prepregs) verwendet werden. Die für diese Bauteile wichtigen Eigenschaften, wie z.B. Flammfestigkeit, mechanische Belastbarkeit und Oberflächengüte, können durch Wahl der Harze, der Gewebe und Kernmaterialien je nach Anwendung (z.B. als Innenraumverkleidungen von Flugzeugen, als Fassadenverkleidungen) eingestellt werden.

     

    Bisherige Entwicklungen

    Die bisherigen Entwicklungen umfassen die Entwicklung von neuen Kernwerkstoffen und Prepregharzentwicklungen für Decklagen.

    Die entwickelten Prepregharze sind speziell eingestellte Reaktivharze, die die spezifischen Anforderungen erfüllen. Diese Anforderungen sind z.B. eine glatte Oberfläche auf der sich die Struktur der darunter liegenden Kernwerkstoffe nicht abzeichnet (Telegrafing). Außerdem müssen bestimmte Verarbeitungsparameter eingehalten werden sowie eine ausreichende Lagerstabilität gewährleistet sein. Viele Anwender von Sandwichstrukturen fordern eine hohe Flammfestigkeit, die maßgeblich von den Decklagen mitbestimmt wird, da sie einen hohen Anteil am Gesamtgewicht der Sandwichstrukturen haben.

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Nils Gerber | Telefon +49 3328 330-291

     

  • Kernwerkstoffe

    Kernwerkstoffe kommen in Sandwichstrukturen zwischen einer beidseitig aufgebrachten Decklage zum Einsatz. Sie bestehen aus leichten Materialien, die die Decklagen gegeneinander abstützen und Scherkräfte zwischen den Decklagen aufnehmen.

     

    Noppenwabe

    Die Struktur der Noppenwabe bietet im Vergleich zu den herkömmlichen Kernwerkstoffen, wie Hartschäume, Honeycombs und thermoplastischen Formkörpern, einige Vorteile:

    • gute Akustik (Schalldämmung)
    • gute Decklagenanbindung
    • Drapierbarkeit
    • Kostengünstige Herstellung
    • Drainierbarkeit
    • Leitungen sind integrierbar

     

    Bisherige Entwicklungen

    Die Noppenwabe ist als Kernwerkstoff bereits seit Jahren bekannt, bislang hat das Eigenschaftsprofil jedoch nur wenige Anwendungen ermöglicht. Durch neue Entwicklungen ist es gelungen, insbesondere die mechanischen Eigenschaften deutlich zu verbessern und der Noppenwabe somit ein breites Anwendungsfeld zu ermöglichen.
    Die Noppenwabe kann durch Variation der Ausgangsmaterialien und des Herstellungsprozesses an unterschiedliche Anwendungszwecke angepasst werden. Die bisher realisierten Raumgewichte liegen zwischen 50 und 120 kg/m³, es sind jedoch auch höhere oder niedrigere Raumgewichte möglich. Auch die mechanischen Eigenschaften sind den Anforderungen entsprechend in weiten Bereichen einstellbar.
    Zusätzlich zu der Anwendung als Kernwerkstoff kann die Noppenwabe auch für eine Anwendung als Crash Absorber eingestellt werden. Auch kombinierte Anwendungen sind möglich, so dass eine Sandwichstruktur mit Crash Absorber-Funktion entsteht.
    Weitere Informationen können der Publikation Sandwiches with Nap Cores (englisch) entnommen werden.

     

    Schaum auf Cyanatbasis

    Der Einsatz von Hartschäumen als Kernwerkstoff ist begrenzt, da Hartschäume entweder nicht ausreichend flammfest sind (z.B. Polyurethanharze) oder sehr spröde (z.B. Phenolharze).
    Cyanatharze sind intrinsisch flammfest, temperaturbeständig und können in ihrer Zähigkeit eingestellt werden. Zudem sind sie recyclebar und werden somit den zunehmenden Forderungen nach Nachhaltigkeit gerecht. Diese Eigenschaften werden auch für Cyanatharzschäume erwartet. Cyanatharze können aufgrund ihres chemischen Mechanismus umweltverträglich zu Schaum getrieben werden. Erste Cyanatharzschäume konnten hergestellt werden, zur Zeit wird an der Übertragung der Laborversuche zu größeren Ansätzen gearbeitet.

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Nils Gerber | Telefon +49 3328 330-291

     

  • Vernähte Sandwichstrukturen

    in Kooperation mit dem LS Polymermaterialien der BTU Cottbus - Senftenberg

    Sandwichkonstruktionen mit Schaumkern weisen oft eine geringe Schälfestigkeit auf. Da die verwendbaren Hartschäume ein sprödes Verhalten aufweisen, verlagern optimierte Klebstoffe das Versagen des Sandwiches bei Schälbelastung lediglich in die äußere Schicht des Schaumkerns.
    Die Schälfestigkeit kann durch Vernähen der Decklagen mit dem Kern deutlich verbessert werden.

     

    Ergebnisse

    Die Schälfestigkeiten wurden je nach Aufbau des Sandwiches um den Faktor 3 bis 4 erhöht. Zusätzlich zu den Schälfestigkeiten wurden durch das Vernähen auch andere Eigenschaften der Sandwiches verbessert. So wurde z.B. die Biegefestigkeit von vernähten Strukturen auf bis zu ca. 140 Prozent der Biegefestigkeit von unvernähten Strukturen mit ansonsten identischem Aufbau angehoben. Es konnten weitgehend eingeführte technologische Lösungen für die Herstellung der Verbundmaterialien hinsichtlich Näh- und Laminiertechnik verwendet werden.

     

    Anwendungsfelder

    Hochbelastbare Leichtbau- Sandwichstrukturen.

     

    Referenzen

    Das Projekt wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl Polymermaterialien der BTU Cottbus und der RS – Technologie und Service GmbH durchgeführt. Wir danken dem BMWi für die Förderung des Vorhabens unter dem Titel »Entwicklung von hochfesten Leichtbaumaterialien in Sandwichbauweise« (FKZ: KF 0287501KMH1).
    (Laufzeit: 1.7.2001–30.6.2003)

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Nils Gerber | +49 3328 330-291

  • Faltwabe

    Sandwichkonstruktionen mit Schaumkern weisen oft eine geringe Schälfestigkeit auf. Da die verwendbaren Hartschäume ein sprödes Verhalten aufweisen, verlagern optimierte Klebstoffe das Versagen des Sandwiches bei Schälbelastung lediglich in die äußere Schicht des Schaumkerns.

    Die Schälfestigkeit kann durch Vernähen der Decklagen mit dem Kern deutlich verbessert werden.

     

    Ergebnisse

    Die Schälfestigkeiten wurden je nach Aufbau des Sandwiches um den Faktor 3 bis 4 erhöht. Zusätzlich zu den Schälfestigkeiten wurden durch das Vernähen auch andere Eigenschaften der Sandwiches verbessert. So wurde z.B. die Biegefestigkeit von vernähten Strukturen auf bis zu ca. 140 Prozent der Biegefestigkeit von unvernähten Strukturen mit ansonsten identischem Aufbau angehoben. Es konnten weitgehend eingeführte technologische Lösungen für die Herstellung der Verbundmaterialien hinsichtlich Näh- und Laminiertechnik verwendet werden.

     

    Anwendungsfelder

    Hochbelastbare Leichtbau- Sandwichstrukturen.

     

    Referenzen

    Das Projekt wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl Polymermaterialien der BTU Cottbus und der RS – Technologie und Service GmbH durchgeführt. Wir danken dem BMWi für die Förderung des Vorhabens unter dem Titel »Entwicklung von hochfesten Leichtbaumaterialien in Sandwichbauweise« (FKZ: KF 0287501KMH1).
    Laufzeit: 1.7.2001–30.6.2003

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Nils Gerber | +49 3328 330-291

  • Prepregtechnologie

    Bei einem Prepreg (Prepreg = PREimPREGnation) handelt es sich um ein mit Harz imprägniertes und vorgehärtetes Trägermaterial. Diese Trägermaterialien können aus Fasern unterschiedlicher Beschaffenheit (z.B. Glas-, Carbon-, Aramid- oder auch Naturfasern) und unterschiedlicher Anordnung (z.B. Gewebe, Vliese, Gestricke, Papiere o.ä.) bestehen. Durch Tränkung der Trägerstoffe mit einem Reaktivharz oder auch thermoplastischen Material entsteht ein Halbzeug, das sogenannte Prepreg, welches durch einen sich anschließenden Formgebungsprozess (Einfluss von Druck und Temperatur) verarbeitet und ausgehärtet werden kann.

     

    Anwendungsfelder

    Prepregs werden u.a. im Bereich Leichtbaustrukturen zu vielfältigen Produkten verarbeitet. Sie finden z.B. Eingang in sogenannte Sandwich-Komposite, die vielseitig in der Verkehrstechnik eingesetzt werden. Bei Sandwich-Kompositen werden verschiedenste (z.B. Schäume, Waben, Holz...) beidseitig mit den Prepreglagen verbunden, wodurch äußerst leichte, aber dennoch sehr stabile Konstruktionen entstehen. Ein weiteres großes Einsatzgebiet sind Laminate, die durch Verpressen mehrerer Lagen Prepreg entstehen und u.a. als Leiterplatten für Elektronikbauteile verwendet werden können.

     

    Technologische Ausrüstung

    • Imprägnieranlage: Für die Imprägnierung von flächigen Materialien (z.B. Gewebe, Vliese, Papiere) aus Glas-, Carbon-, Natur- und Synthesefasern mit Reaktivharzen (z.B. Epoxid-, Phenol- und Cyanatharze) zur Herstellung von Prepregs. Die Imprägnieranlage kann auch zur Oberflächenveredlung und Beschichtung von Papieren oder Folien eingesetzt werden.
    • UD-Imprägnieranlage: Ermöglicht die Herstellung von Prepregs mit unidirektional ausgerichteten Fasern.

    Weiterhin stehen vielfältige Möglichkeiten der Verarbeitung der Prepregs und der Charakterisierung der resultierenden Bauteile zu Verfügung.

     

    Ansprechpartner

    Björn Schöbe | +49 3328 330-361

  • KATO: Prepregharze und neue Kernwerkstoffe für die Luftfahrt

    Die Fraunhofer PYCO war am Teilprojekt 14 »Neue Werkstoffe für Sandwich- und Klebstoffanwendungen« im Luftfahrtforschungsprojekt LuFo III - KATO des BMWi beteiligt. In diesem Teilprojekt werden Prepregharze auf Cyanatharzbasis und Kernwerkstoffe aus Noppenwaben entwickelt. Das Teilprojekt war vom 1.7.2003 bis zum 30.6.2006 geplant. Eine Aufstockung zur Verlängerung des Zeitraums bis zum 30.6.2007 wurde durch den Fördermittelgeber bewilligt.

     

    Prepregharze auf Cyanatharzbasis

    Die besondere Herausforderung liegt bei Prepregharzen auf Cyanatharzbasis darin, dass diese bei verhältnismäßig niedriger Temperatur ohne Einbußen ihres sehr guten Eigenschaftsspektrums härtbar sein sollen. Dennoch müssen sie bei Raumtemperatur ausreichend lagerstabil sein. Die Cyanatharze bieten im Gegensatz zu den bisher gebräuchlichen Phenolharzen eine verbesserte Zähigkeit und sie sind recyclebar. Sie verfügen, ähnlich den Phenolharzen, über eine intrinsische Flammfestigkeit und erfüllen die hohen Anforderungen an die Brandfestigkeit in der Luftfahrt. Als Additionsharze setzen sie im Unterschied zu den Phenolharzen beim Härten keine niedermolekularen Verbindungen frei, was zu besseren Oberflächen führt. Diese und weitere Eigenschaften werden im Rahmen der Entwicklung durch gezielte Modifikation des Ausgangsharzes ausbalanciert.

     

    Kernwerkstoffe aus Noppenwaben

    Für dieNoppenwaben liegt die Herausforderung im Erreichen des herausragenden Gewicht-Steifigkeit-Verhältnisses und der guten Flammfestigkeit der üblicherweise eingesetzten Honeycombs. Die Noppenwabe weist einige Vorteile gegenüber den Honeycombs auf, die sie auch bei einem etwas höheren Gewicht-Steifigkeit-Verhältnis zu einem interessanten Kernwerkstoff für die Luftfahrt machen. So ist die Noppenwabe drainierbar, bietet eine gute Decklagenanbindung, sie ist drapierbar, bietet eine verbesserte akustische Dämpfung, die Herstellung ist einfach und kostengünstig und Leitungen oder Kabel können direkt in die Struktur integriert werden.

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Phys. Christoph Uhlig | +49 3328 330-290

  • RIO: Strukturbauteil für den Schienenfahrzeugbau

    Naturfasern wie Hanf oder Flachs stellen aufgrund ihres vergleichbaren, dichtebezogenen Festigkeits- und Modulniveaus ein ökologisches Substitutionsprodukt für Glasfasern in Faserbundkunststoffen dar. Ausgehend von Anforderungen an Materialien für den Schienenfahrzeugbau war zu ermitteln, inwieweit diese durch Naturfaserverbundkunststoffe erfüllt werden können.

    Unter Verwendung von Flachs-Vliesmatten als Faserkomponente, die eine durchschnittliche Flächenmasse von 234 ± 15 g/m²) aufwiesen, wurden der Herstellungsprozess und die Eigenschaften von Verbundkunststoffen auf Basis von:

    • ungesättigtem Polyesterharz (UP-Harz), kalthärtend,
    • Epoxidharz (EP-Harz), heißhärtend und
    • Phenol-Formaldehyd-Harz (PF-Harz), heißhärtend

    untersucht. UP-Harz-Verbunde wurden mehrlagig im Vakuumsack verdichtet und bei Raumtemperatur ausgehärtet. Mit EP- und PF-Harzen getränkte Vliese wurden zu Prepregs getrocknet und mit einem Druck von bis zu 2 MPa heiß zu mehrlagigen Laminaten verpresst. Die Verarbeitungstechnologien konnten weitgehend denen von konventionellen Glasfaserverbunden angepasst werden.

    Die Laminatwerkstoffe erreichten bei Verwendung von kalthärtenden UP-Harzen im Vakuumverfahren einen Faseranteil von ca. 25 Volumenprozent. Die Prepregverfahren mit heißhärtendem Epoxid- bzw. Phenolharz führten zu Laminaten mit ca. 50 Volumenprozent Faseranteil. Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften ergaben Kennwerte, die bei Epoxidharzen die Anforderungen (Zugfestigkeit > 60 MPa, Bruchdehnung > 1 Prozent und Biegespannung bei Bruch > 120 MPa) weitgehend erfüllten. Es wurden Abhängigkeiten der mechanischen Kennwerte von der Richtung der Beanspruchung in Relation zur Lage des Vlieses im Verbund festgestellt. Durch Einbringen von Flammschutzmitteln (FSM) in das Imprägnierharz verringerten sich die mechanischen Werte der Laminatwerkstoffe in Abhängigkeit von der FSM-Menge.

     

    Anwendungsfelder

    Leichtbaustrukturen für z.B. Fahrzeug- und Messebau

     

    Referenzen

    Die Arbeiten wurden innerhalb des Netzwerkes »RIO« durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des InnoRegio-Programms unter dem FKZ: 03I4609D gefördert.

     

    Kooperation

    Die Arbeiten erfolgten in unmittelbarer Kooperation mit der AMIC GmbH, Berlin, dem Sächsischen Textilforschungsinstitut, Chemnitz, der Hippe KG, Werk Spremberg und der Dr. Hielscher GmbH, Teltow.

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. (FH) Karina Klauke | +49 3328 330-294

  • Leichtbau mit Naturfasern

    Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer geringen Dichte und guten Materialeigenschaften in Leichtbaustrukturen eingesetzt. Für übliche Konstruktionsanwendungen verwendet man derzeit hauptsächlich Glasfasern als Verstärkungsmaterial. Naturfasern wie Hanf, Flachs, Jute und Sisal können aber aufgrund ihres Festigkeits- und Modulniveaus im Verhältnis zu ihrer Dichte als ökologisches Substitutionsprodukt für Glasfasern in verschiedenen Verbundwerkstoffen verwendet werden.

     

    Anwendungsfelder

    Neben bereits existierenden Einsatzgebieten von Naturfaser-Kunststoff-Verbunden wie Innenverkleidungen oder Abdeckungen in Straßenfahrzeugen sind sowohl Strukturbauteile im Fahrzeugbereich (Schiene und Straße) auf Basis von Reaktionsharzen als auch Formteile aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten dort von Interesse, wo die geringere Dichte der Naturfasern eine wünschenswerte Gewichtsreduzierung im Vergleich zu glasfaserverstärkten Materialien ermöglicht.

     

    Wissenschaftliche Leistung

    Die Verwendung von Naturfasern in Fahrzeugen wirft im Vergleich zu Glasverstärkungen zusätzlich zu lösende Fragestellungen auf:

    Brennbarkeit der Faser und deshalb zusätzlicher Entwicklungsbedarf zur Flammschutzausrüstung,

    Endlosfäden aus Glas sind monofil. Bei Naturfasern handelt es sich um gesponnene Garne aus Einzelfasern, die bereits eine Struktur aufweisen. Aufgrund der daraus folgenden veränderten Bedingungen der Verbundbildung zwischen Polymermatrix und Faser müssen die Verarbeitungsverfahren entsprechend untersucht werden.

    Die Hydrophilie von Naturfasern muß in Strukturbauteilen beherrscht werden, um eine schädigende Wasseraufnahme zu unterbinden.

    Zur Optimierung der Benetzung der Verstärkungsfasern durch das Polymer wird der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall bei der Verbundbildung untersucht.

     

    Referenzen

    Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten über die Fachagentur nachwachsende Rohstoffe als Projektträger unter dem FKZ: 97NR066 gefördert.

    An der Bearbeitung waren beteiligt:
    Landgraf Kunststoffe, Fürstenwalde; Dr. Hielscher GmbH, Teltow, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Polymermaterialien

     

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. (FH) Karina Klauke | +49 3328 330-294

  • Befüllbare Sandwichpaneele mit Phase Change Materials PCM

    Phase Change Materials (PCM) sind Substanzen, die durch gezieltes Aufschmelzen und Erstarren bei einer definierten Temperatur (Wärme-) Energie aufnehmen bzw. abgeben.

     

    Anwendungsfelder

    PCM werden zunehmend in verschiedenen Bereichen, wie der dezentralen Energieversorgung im Haushalt und unter Anderem in passiven Bauelementen, verwendet. Hier wird durch Wahl ihres Schmelzpunktes im Bereich z.B. der »Behaglichkeitstemperatur« von Wohn- oder Bürogebäuden die Wärmekapazität der Wände erhöht. Dadurch werden beispielsweise Sonnenscheinspitzen abgepuffert und die Wärme statt dessen zeitlich verzögert zu späterer Stunde bei Erstarren in der Nachtkühle an den Raum abgegeben. Hieraus resultiert ein insgesamt behaglicheres Wohnklima bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch für Klimaanlage und/oder Heizung.

     

    Wissenschaftliche Leistung

    Die Fraunhofer PYCO erarbeitete in Kooperation mit dem Lehrstuhl Polymermaterialien der BTU Cottbus für dieses Projekt Konzepte für die Herstellung von mit PCM befüllbaren Sandwich-Panels. Diese Panels sollen als Wand- oder Deckenverkleidung bzw. als Fußbodenauflage eingesetzt werden. In Faserverbundbauweise sind diese leicht und beständig, auch gegen Salzhydrate. Im Rahmen des Projekts werden außerdem Demonstratoren für die Bestückung eines Messraums gefertigt.

     

    Referenzen

    Die Arbeiten wurden im Rahmen des vom BMWi geförderten Vorhabens »Energie-Optimiertes Bauen (EnOB): Thematischer Verbund LowEX – Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung des thermischen Beladungsgrades von PCM-Paraffin-Speichern« durchgeführt (FKZ: 0327370F). (Laufzeit: 1.11.2004 – 31.10.2007)

  • Polymer-Keramik-Composite

    in Kooperation mit dem LS Polymermaterialien der BTU Cottbus - Senftenberg

    Die thermische Dehnung (CTE) polymerer Materialien kann durch Füllstoffe reduziert werden. Im Rahmen des Projekts werden keramische Materialien synthetisiert, die eine negative thermische Ausdehnung aufweisen (β-Eukryptit), um besonders niedrige CTE’s zu realisieren. Erforderlich sind außerdem hohe Füllgrade. Hierfür wurden, auf Basis theoretischer Kugelpackungen, Füllstoffmischungen mit definierter Korngrößenverteilung erarbeitet, um hohe Packungsdichten und gleichzeitig gute Verarbeitbarkeit der Composite zu vereinen.

     

    Anwendungsfelder

    Motivation dieses Vorhabens ist die oftmals nicht tolerable Wärmedehnung polymerer Materialien beispielsweise für Anwendungen in der Mikroelektronik. Werden Materialien mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden, kann es aufgrund dieses Ungleichgewichts (thermal mismatch) zum Versagen des Systems kommen. Oft werden Silizium-Chips (CTE = 3·10-6 K-1) auf polymere Leiterplatten aufgebracht (CTE = 70·10-6 K-1). Hier treten bei einem Mismatch Scherkräfte an den Lotverbindungen auf.

     

    Wissenschaftliche Leistung

    Die thermische Dehnung der β-Eukryptit-Composite ist bei gleichem Füllstoff-Anteil geringer als die von Compositen mit kommerziell erhältlichem Quarzsand und liegt im Bereich der Dehnung von Silica-Compositen. Die Arbeiten werden fortgesetzt.

     

    Referenzen

    Diese Arbeiten werden von der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus im Rahmen der HWP-Forschungsprojektförderung 2004–2006 des MWFK des Landes Brandenburg unterstützt.

     

    Veröffentlichungen

    M. Uhlmann, C. Olschewski, M. Bauer, S. Landeck, S. Vieth: Rheologische Eigenschaften von Suspensionen aus silanisierten Keramikpulvern, Keramische Zeitschrift (eingereicht März 2006)

    S. Vieth, M. Uhlmann, B. Beckers, F.-D. Börner: Non-volatile organic liquids for electrostatically, electrosterically and sterically stabilised suspensions of ceramic powders, Cfi/Ber. DKG (eingereicht März 2006)

    S. Landeck, M. Uhlmann, M. Bauer, C. Uhlig und S. Vieth: Polymer-matrix composite incorporating inorganic filler with negative thermal expansion,  Composites: Part A (eingereicht März 2006)

     

    Ansprechpartner

    Prof. (apl.) Dr. rer. nat. habil. Siegfried Vieth | Telefon +49 3328 330-284