Faltkern aus Aramidpapier.
Papiertechnische Stiftung (PTS)
Eine besondere Art von Leichtbaustrukturen sind Verbundmaterialien in Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern. Aramidpapier ist für solche Sandwichkerne ein etabliertes Material. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten sowohl Analysemethoden als auch Simulationsverfahren. Nun gelang es Wissenschaftlern der Papiertechnischen Stiftung (PTS) in München und Heidenau und der TU Dresden grundlegende Verbesserungen hinsichtlich der Belastbarkeit solcher Leichtbaustrukturen.
Im Mittelpunkt der Arbeiten stand die Idee "einen neuen papierartigen Werkstoff herzustellen, der im Flugzeugbau zum Einsatz kommen sollte.“, erklärt Dipl.-Ing (FH) Johann Strauß, der zusammen mit Diplom Ingenieuren Benjamin Hiller und Alexander Bugiel einen dreilagigen Werkstoff aus Aramid- und Carbonfasern konzipiert haben. Das Problem dabei: Für die Entwicklung des Werkstoffs mussten seine mechanischen Kennwerte bekannt sein. Mit den bis dahin bekannten Prüfverfahren konnten diese aber nicht ermittelt werden.
Schubeigenschaften von papierartigen Werkstoffen
Die Forscher entwickelten daher zunächst ein Messverfahren, mit dem sie die Druck- und Schubeigenschaften von papierartigen Werkstoffen bestimmen und papierartige Materialien vollständig charakterisieren konnten. "Das war die Grundlage für alle unsere Werkstoffentwicklungen“, erklärt Hiller. Da die standardmäßigen Werkstoffmodelle jedoch nicht ausreichten, um die mechanischen Eigenschaften von papierartigen Materialien korrekt zu simulieren, mussten die Wissenschaftler zudem ein Materialmodell für die Simulation der papierartigen Werkstoffe entwickeln. Mit dem Simulationsmodell konnten signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften gegenüber handelsüblichen Leichtbauwerkstoffen nachgewiesen werden. Laut den Wissenschaftlern eignen sich die adaptierten Papiere "hervorragend zur Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit von Sandwichstrukturen“.
Die Forschungen fanden im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) statt, das vom AiF-Mitglied Papiertechnische Stiftung (PTS) koordiniert wurde. Das IGF-Vorhaben war im Dezember 2017 unter den drei Finalisten bei der Wahl zum Otto von Guericke-Preis der AiF. Der Preis wird einmal im Jahr für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der IGF vergeben und ist mit 10.000 Euro dotiert. Die vorwettbewerbliche IGF wird im Innovationsnetzwerk der AiF und ihrer 100 Forschungsvereinigungen organisiert und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit öffentlichen Mitteln gefördert.