Neuartige Faserverbundsandwichsysteme mit geschütteten Kernen : Prozessbeschreibung und Produktcharakterisierung

Sandwichverbunde sind besonders ökologische und ökonomische Werkstoffe, welche aus diesen Gründen die klassischen Leichtbauwerkstoffe zunehmend verdrängen. Gängige Vertreter der Werkstoffklasse Sandwichverbund werden mit Waben oder Schaumkern hergestellt. Neben der geringen Druckfestigkeit der Schäume und den sehr hohen Kosten für die Waben sind bei beiden Kernmaterialien den geometrischen Freiheitsgraden starke Grenzen gesetzt. Weiterhin ist aufgrund der Einschränkungen, welche sich durch das Kernmaterial ergeben, die Herstellung von Sandwichverbunden mit Waben- oder Schaumkern aufwendig Gegenstand dieser Dissertation ist die neuartige Kombination einer losen Partikelschüttung als Kernmaterial des Sandwichverbunds, welche erst während der Herstellung im Verbund fixiert wird. Der erste Schwerpunkt der Arbeit befasst sich hierbei mit den Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche und robuste Herstellung von Sandwichverbunden mit geschütteten Kern und den physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Bauteile. Hierfür wird das neuartige mRTM-Verfahren vorgestellt. Durch dieses Verfahren ergeben sich Vorteile gegenüber den gängigen Herstellungsprozessen für Faser(Sandwich)verbunde. Dazu zählt zu aller erst, dass die lose Schüttung als Fließhilfe dient, und es so möglich ist, die Infusionszeit bedeutend zu senken. Dies wiederum erlaubt auf der einen Seite den Einsatz von sehr schnellhärtenden Harzsystemen bis hin zu sog. „Snap-Cure“-Systemen, die innerhalb von wenigen Minuten vollständig erstarren bzw. aushärten. Auf der anderen Seite ist es möglich sehr hochviskose/zähflüssige Systeme zu nutzen, die nach gängiger Literaturmeinung in keiner Weise zum Einsatz in Infusionsverfahren geeignet sind. Daneben ist es durch die Schüttung möglich, in hoher geometrischer Freiheit, was die Bauteilabmessungen betrifft, zu fertigen. Aufgrund der exzellenten Eigenschaften als Fließhilfe stellen sowohl Dickensprünge wie auch große Abmessungen deutlich geringere Probleme als in alternativen Infusionsprozessen dar. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit widmet sich mit der mechanischen Konkurrenzfähigkeit der Sandwiche mit geschütteten Kernen. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den Referenzbauteilen gegeben ist. Unter statischer Last liegen die spezifischen Materialkennwerte in vergleichbaren Regionen. Unter dynamischen Gesichtspunkten sind die Sandwiche denen mit konventionellem Schaumkern überlegen. Die untersuchten Konfigurationen sind ab ca. 1/3 bis 1/2 des statischen Lastniveaus bei Versagen dauerfest (Lastspielzahl > 2*106). Bei den Sandwichen mit Schaumkern kann in diesem Lastbereich keinerlei dynamische Belastbarkeit nachgewiesen werden. Neben der technischen Umsetzbarkeit der Herstellung und der mechanischen Performance der erhaltenen Bauteile spielt die Wirtschaftlichkeit eines Prozesses bzw. Produkts eine maßgebende Rolle bei einer industriellen Umsetzung. Im dritten Schwerpunkt der Arbeit wird daher die Wirtschaftlichkeit bzw. die finanzielle Wettbewerbsfähigkeit von Produkten, die mittels des mRTM-Verfahrens hergestellt werden, untersucht. Die Kosten- und Gewinnvergleichsrechnung sowie die kritische Leistungsmengenbestimmung zeigt, dass Sandwichverbunde mit geschüttetem Kern aus finanzieller Sicht nicht immer die beste Option sind. Welches Verfahren für den gewählten Anwendungsfall Bauteile mit dem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis hervorbringt, muss jeweils geprüft werden. Die Konkurrenzfähigkeit der betreffenden Bauteile aus dem mRTM-Verfahren ist jedenfalls unter den getroffenen Annahmen grundsätzlich gegeben. Bei großen Kerndicken sinkt die Konkurrenzfähigkeit bei einem Fokus auf der Bauteildichte allerdings zunehmend.