Wie kann Leichtbau noch leistungsfähiger werden? Ein Entwicklerteam in Halle (Saale) setzt auf hierarchische Sandwichstrukturen, bei denen die Deckschichten selbst wiederum Sandwichstrukturen sind.
Aufbau einer Sandwichstruktur mit Wabenkern
ThermHex / IMWS
Transport- und Verkehrstechnik sind gleichsam ein Synonym für die Bewegung von Masse – immer verbunden mit dem Verbrauch von Energie und Schadstoffausstoß bei der Energiewandlung. Das so Offensichtliche unterstreiche "die Bedeutung des Verhältnisses Gesamtmasse zu Nutzmasse für die Wirtschaftlichkeit, insbesondere für die Energieeffizienz", halten die Springer-Autoren Hansgeorg Hofmann und Jürgen Spindler in "Aktuelle Werkstoffe" fest und benennen die sich ergebende technische Konsequenz: Leichtbau – materialseitig zu erreichen "durch den Einsatz von Leichtmetalllegierungen hoher Festigkeit, hochfester Stähle, Metallschäume, Sandwich- und Wabenstrukturen sowie Kunststofffaserverbunde, meist mit Kohlefaserverstärkung, hochfester keramischer Werkstoffe, keramischer Faserverbunde und Smart Materials" (Seite 92).
Aktuell hat sich die Nutzung von Sandwichstrukturen im Leichtbau als besonders effektiv erwiesen, insbesondere bei der Gestaltung von großen, flächigen Strukturen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Sandwichstrukturen sei daher der Flugzeugbau. Hier würden Sie vor allem in der Sekundärstruktur eingesetzt und bei der Herstellung von Flugzeugkabineninterieur verwendet, erläutern Johann Schwenke, Tobias Hartwich und Dieter Krause in dem Buchkapitel "Optimierung von Inserts in Sandwichstrukturen durch additive Fertigung", Seite 246, und weisen darauf hin, dass "vornehmlich eine Struktur aus sechseckigen Zellen eingesetzt (wird), die als Honigwabenstruktur bezeichnet wird." Und das hat seinen Grund: Sandwichkörper mit eingeschäumtem Kern seien zwar billig, aber nicht hoch belastbar, erklärte Springer-Autor Johannes Wiedemann schon vor einigen Jahren in dem Standardwerk "Leichtbau". Für hochbelastete Leichtbaukonstruktionen ziehe man Honigwabenkerne vor, "die dank ihrer Strukturorientierung trotz niedrigsten Gewichts die gewünschte hohe Kompressions- und Schubsteifigkeit senkrecht zu den Häuten bieten." (Seite 504).
Hierarchische Sandwichmaterialien
Inzwischen hat die Entwicklung im Bereich der Leichtbau-Sandwichstrukturen weiter an Fahrt aufgenommen, wobei Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten. So kooperiert beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) seit rund fünf Jahren mit der ThermHex Waben GmbH, die Polypropylen-Wabenkerne mit einem patentierten Produktionsverfahren herstellt. Im aktuellen Gemeinschaftsprojekt "Grundlagenuntersuchung von thermoplastischen Leichtbau-Sandwichmaterialien aus hierarchisch aufgebauten Waben- und Decklagenstrukturen für hochbelastbare und kosteneffiziente Leichtbaustrukturen (HPHex)" werden nun Sandwichmaterialien mit neuartigen hierarchischen Strukturen mit dem Ziel untersucht, eine weitere Steigerung der mechanischen Performance zu erreichen.
Mit den aktuell im Leichtbau verwendeten thermoplastischen Wabenkernen stünden zwar bereits leistungsfähige und kostengünstige Kernmaterialien zur Verfügung, heißt es in einer Mitteilung des IMWS, hinsichtlich ihrer mechanischen Performance seien diese jedoch, insbesondere im Vergleich zu kostenintensiveren Wabenkernen, limitiert und kämen deshalb eher im Bereich von weniger belasteten Verkleidungs- und Interieurbauteilen in Betracht. Über gängige Aufbauprinzipien von Sandwichstrukturen und den üblicherweise verwendeten Materialien für äußere Häute und Kernschicht informieren Bernd Klein und Thomas Gänsicke in "Leichtbau-Konstruktion" ab Seite 235.
Wabenzellwände sind selbst ein Wabensandwich
Die Projektpartner in Halle streben an, die bisher geringe Beulfestigkeit von dünnen thermoplastischen Wabenzellwänden durch ein hierarchisches Materialdesign zu überwinden. Nach diesem Konzept werden die Wabenzellwände jeweils selbst durch ein Wabensandwich gebildet, um so die Stabilität des Wabenkerns bei gleichbleibendem oder sogar geringerem Gewicht deutlich zu vergrößern. Zudem sollen in dem Projekt HPHex, das noch bis August 2021 läuft, hierarchisch strukturierte Deckschichten erforscht werden, die nach Einschätzung der Entwickler hinsichtlich Lastverteilung und Oberflächenqualität Vorteile bieten. "Die Verbesserung von Materialeigenschaften, vor allem die Erhöhung der gewichtsspezifischen Eigenschaften durch eine hierarchische Strukturierung, ist ein Ansatz, der weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnt", ist der Geschäftsführer von ThermHex Waben Jochen Pflug überzeugt. Und die neuartigen thermoplastischen Wabenstrukturen "werden für einen hohen Automatisierungsgrad in der Herstellung und niedrige Materialkosten als Alternative zu den bisherigen kostenintensiven Bauweisen sorgen", sagt Ralf Schlimper, Projektleiter am IMWS.