Mehr Hierarchie im Sandwich

Wabenkerne in einem Sandwich können durch hierarchische Strukturen noch leistungsfähiger werden.

Kunststoff-Sandwichstrukturen bestehen zumeist aus einem Waben- oder Polymerschaum-Kern und zwei Deckschichten aus faserverstärkten Kunststoffen. Diese Kombination ermöglicht eine hohe Biege- und Beulsteifigkeit bei sehr geringem Gewicht.

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die Firma Thermhex Waben arbeiten jetzt gemeinsam an neuartigen, hierarchischen Sandwichstrukturen, bei denen sowohl die Wabenzellwände als auch die Deckschichten selbst wiederum Sandwichstrukturen sind.

Die von Thermhex Waben besonders kostengünstig gefertigten, thermoplastischen Wabenkernen kommen bislang eher im Bereich weniger belasteter Verkleidungs- und Interieur-Bauteile im Automobil zum Einsatz. Denn hinsichtlich ihrer mechanischen Performance sind sie begrenzt. Hierarchisch aufgebaute Waben- und Decklagenstrukturen könnten dies ändern, man hätte dann ein Material zur Verfügung, dass kosteneffiziente hergestellt wird und für hochbelastbare Leichtbaustrukturen geeignet ist.

Fraunhofer IMWS und Thermhex untersuchen jetzt gemeinsam in einem Projekt thermoplastische Leichtbaumaterialien aus hierarchisch aufgebauten Wabe-in-Wabe-Strukturen bei Kernmaterial und Decklagen, um eine signifikante Steigerung der mechanischen Performance zu ermöglichen. Beide wollen die bisher geringe Beulfestigkeit der dünnen thermoplastischen Wabenzellwände durch ein hierarchisches Materialdesign überwinden. Hierbei werden die Wabenzellwände jeweils selbst durch ein Wabensandwich gebildet und auf diese Weise die Stabilität des Wabenkerns bei gleichbleibendem oder sogar geringerem Gewicht deutlich vergrößert.

Ebenfalls soll der Ansatz von hierarchisch strukturierten Deckschichten erforscht werden, die hinsichtlich Lastverteilung und Oberflächenqualität Vorteile bieten. Die Untersuchungen solcher Sandwichstrukturen lassen anschließend eine Beschreibung und Beurteilung weiterer physikalischer Eigenschaften zu. Die Projektpartner verfügen bereits über ein Eureka-Label mit der Bezeichnung „Hierarchical Hexagonal Sandwich Honeycomb Core (Hi-Hex)“.

„Die Verbesserung von Materialeigenschaften, vor allem die Erhöhung der gewichtsspezifischen Eigenschaften durch eine hierarchische Strukturierung, ist ein Ansatz, der zunehmend an Bedeutung gewinnt“, sagt Dr.-Ing. Jochen Pflug, Geschäftsführer bei Thermhex Waben.

Projektleiter Dr.-Ing. Ralf Schlimper, der am Fraunhofer IMWS die Gruppe „Bewertung von Faserverbundsystemen“ leitet, äußert sich zum Projektstart: „Gemeinsam mit Thermhex können wir die Entwicklung kosteneffizienter und leistungsfähiger Sandwichstrukturen vorantreiben. Die neuartigen thermoplastischen Wabenstrukturen könnten dank eines hohen Automatisierungsgrads in der Herstellung und niedriger Materialkosten – verwendet werden Wabenkerne aus Polypropylen –  eine echte Alternative zu den bisherigen kostenintensiven Bauweisen sorgen.“

mg