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Leichtbau Hierarchische Sandwichstrukturen erhöhen Beulfestigkeit

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Sandwichstrukturen eignen sich effektiv für den Leichtbau. Wie hierarchische Sandwichstrukturen den Leichtbau noch leistungsfähiger machen können, hat das Fraunhofer IMWS und die Thermhex Waben GmbH untersucht.

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Franke GmbH
SERAPID Deutschland GmbH
Wirkweise und Aufbau einer Sandwichstruktur mit Wabenkern-Thermhex.
Wirkweise und Aufbau einer Sandwichstruktur mit Wabenkern-Thermhex.
(Bild: Fraunhofer IMWS)

Sandwichstrukturen werden als Leichtbaumaterial für große, flächige Strukturen eingesetzt. Dabei haben Kunststoff-Sandwichstrukturen einen Wabenkern oder Polymerschaum und 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 Thermhex Waben GmbH, die kosteneffiziente Polypropylen-(PP-) Wabenkerne mit einem patentierten Produktionsverfahren herstellt, kooperieren zum Thema Leichtbau mit Sandwichmaterialien bereits seit Ende 2015. Im aktuellen Gemeinschaftsprojekt „HPHex - Grundlagenuntersuchung von thermoplastischen Leichtbau-Sandwichmaterialien aus hierarchisch aufgebauten Waben- und Decklagenstrukturen für hochbelastbare und kosteneffiziente Leichtbaustrukturen“ werden Sandwichmaterialien mit neuartigen hierarchischen Strukturen untersucht, um den Leichtbau leistungsfähiger zu machen.

Der Thermhex Herstellungsprozess

Bei der patentierten Thermhex-Technologie werden thermoplastische Wabenkernen in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt.
Dabei entsteht der Wabenkern aus einer einzelnen Folienbahn durch:

  • aufeinanderfolgendes, thermisches Verformen
  • einen Faltvorgang und
  • das Aufbringen von Materiallagen zur Oberflächenveredlung (z. B. Verschlussfolien, Polyester Vlies)

Die Oberfläche der Thermhex Waben sind zur Hälfte geschlossen. Damit sind Kern und Decklagenmaterial optimal verbunden. Die Thermhex-Wabenkerne können direkt aus dem Extruder oder von einer Folienrolle gefertigt werden, was die Flexibilität weiter verbessert.

Wabenzellwände bestehen selbst aus Wabensandwich

Die Beulfestigkeit der aktuell im Leichtbau verwendeten thermoplastischen Wabenkerne ist eher gering. Daher werden diese beispielsweise in Verkleidungs- und Interieurbauteilen eingesetzt, da diese Bereiche weniger belastet sind. An diesem Punkt setzten Kooperationspartner an: Sie wollen die bisher geringe Beulfestigkeit der dünnen thermoplastischen Wabenzellwände durch ein hierarchisches Materialdesign überwinden.

Hierbei werden die Wabenzellwände jeweils selbst durch ein Wabensandwich gebildet. Auf diese Weise vergrößert sich die Stabilität des Wabenkerns bei gleichbleibendem oder sogar geringerem Gewicht.

Ebenfalls soll der Ansatz von hierarchisch strukturierten Deckschichten erforscht werden, die hinsichtlich Lastverteilung und Oberflächenqualität Vorteile bieten. Mit den Untersuchungen solcher Sandwichstrukturen lassen sich anschließend weitere physikalische Eigenschaften beschreiben und beurteilen. Die Projektpartner verfügen bereits über ein Eureka-Label mit der Bezeichnung „Hierarchical Hexagonal Sandwich Honeycomb Core (HiHex)“.

„Die neuartigen thermoplastischen Wabenstrukturen werden für einen hohen Automatisierungsgrad in der Herstellung und niedrige Materialkosten als Alternative zu den bisherigen kostenintensiven Bauweisen sorgen“, ist sich Projektleiter Dr.-Ing. Ralf Schlimper, der am Fraunhofer IMWS die Gruppe „Bewertung von Faserverbundsystemen“ leitet, sicher.

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