Die vorliegende Projektarbeit widmet sich dem faszinierenden Gebiet der alternativen Werkstoffe im Leichtbau, mit einem besonderen Fokus auf Sandwichwerkstoffe. In Zeiten, in denen der Ruf nach nachhaltigen und ressourcenschonenden Innovationen immer lauter wird, sehen Ingenieure die Notwendigkeit, traditionelle Werkstoffe durch effizientere und umweltfreundlichere Materialien zu ersetzen. Bis in die 1960er-Jahre dominierte Stahl als unangefochtener "Werkstoff der Superlative", doch die heutige Generation von Ingenieuren strebt danach, innovative Lösungen zu entwickeln, die nicht nur technologische Fortschritte ermöglichen, sondern auch den weltweiten Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die Besonderheiten und Potenziale von Sandwichwerkstoffen als alternative Leichtbauwerkstoffe zu beleuchten. Hierbei wird insbesondere auf die Struktur und den Aufbau dieser Werkstoffe eingegangen, um ein fundiertes Verständnis für ihre Eigenschaften zu schaffen. Ein Vergleich der Kennzahlen, das Verhalten bei großen Belastungen sowie die Herstellungsmethoden von Honig- und Faltwaben stehen dabei im Fokus der Analyse.
Die Arbeit gliedert sich in verschiedene Abschnitte, beginnend mit der Definition und Erklärung von Sandwichwerkstoffen, gefolgt von einem vertieften Einblick in ihre Struktur und ihren Aufbau. Der Vergleich der Kennzahlen und Eigenschaften von verschiedenen Sandwichstrukturen sowie das Verhalten unter großen Belastungen werden detailliert untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf den Herstellungsmethoden von Honig- und Faltwaben, um die Vielseitigkeit dieser Leichtbauwerkstoffe zu verdeutlichen.
Durch die Analyse von Anwendungsbereichen und konkreten Beispielen werden sowohl die Kostenaspekte als auch die Umweltverträglichkeit von Sandwichwerkstoffen beleuchtet. Abschließend erfolgt eine umfassende Bewertung der Vor- und Nachteile dieser alternativen Werkstoffe, gefolgt von einem zusammenfassenden Fazit.
Mit dieser Struktur strebt die Arbeit an, nicht nur technisches Verständnis zu vermitteln, sondern auch einen Beitrag zur Diskussion um nachhaltige und effiziente Werkstoffe im Leichtbau zu leisten.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1. Einleitung- Alternative Werkstoffe
2. Was sind Sandwichwerkstoffe?
3. Struktur und Aufbau
4. Vergleich der Kennzahlen und Eigenschaften
5. Verhalten bei großen Belastungen
5.1 Kombinationsfähigkeit und Bearbeitbarkeit
5. Herstellung
5.1 Herstellung von Honigwaben
5.2 Herstellung von Faltwaben
6. Anwendungsbereiche und Beispiele
6.1 Kosten
6.2 Umweltverträglichkeit
7. Vor- und Nachteile und Fazit
7.1 Vorteile
7.2 Nachteile
7.3 Fazit
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Knochenaufbau Vogel und Mensch [2]
Abbildung 2: schematische Darstellung einer Sandwichbauweise [5]
Abbildung 3 Struktur aus gekrümmten Linien [6]
Abbildung 4 Lastverteilung einer biegebeanspruchten Sandwichstruktur [4]
Abbildung 5 Vergleich der Kennzahlen von Falt- und Honigwabe [4]
Abbildung 6 Druckspannung der Faltwabe im Vergleich mit Aradmidpapier und CFK [4]
Abbildung 7 Schubspannungs- Schubverzerrungs- Diagramm der Faltwabe im Vergleich mit Aramidpapier und CFK 4
Abbildung 8 Schadensausmaß nach Impact – Fallversuch [4]
Abbildung 9 Schema zur Herstellung von Faltwaben [4]
1. Einleitung- Alternative Werkstoffe
Die Ingenieure und Ingenieurinnen haben nicht nur das Bestreben, immer neue und lebenserleichternde Innovationen zu entwickeln, sondern auch mit neuen Techniken und neuen Werkstoffen den weltweit zunehmenden Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Bis weit in die 1960er-Jahre setze die Welt auf Stahl als der Werkstoff der Superlative. In großen zahlreichen Hochöfen produzierte auch Deutschland viel Stahl für die Weltbevölkerung. Klimaschutz wurde dort ehr kleingeschrieben [1,2]. Heute in Zeiten des Friday for Futures gehen vor allem junge Menschen auf die Straße und fordern ein Umdenken der Klimapolitik. Viele Ingenieure und Ingenieurinnen sehen sich deshalb berechtigterweise in der Pflicht, Rohstoffe ein zu sparen und schädliche Klimagase einzudämmen.
Eine gute Alternative zu Stahl sind daher Leichtbauwerkstoffe. Nimmt man sich einmal die Natur als Vorbild, wird sichtbar, dass die Natur mit dem gezielten Einsatz von Hohlräumen arbeitet 1. Ein Beispiel hierfür sind Vogelknochen. Vogelknochen sind leicht, um das Tier das Fliegen zu ermöglichen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Knochenaufbau Vogel und Mensch 2
In Abbildung 1 wird der innere Aufbau eines Vogel- und eines Menschenknochens gezeigt. Es fällt auf, dass die Knochen in beiden Fällen nicht als Vollmaterial zu sehen sind, wie es z. B. Stahl ist. Die Knochen besitzen Hohlräume, um ihn leicht, aber auch die nötige Stabilität zu geben. Dies ist auch das Ziel des Leichtbaus. Material einsparen, aber auf keinen Fall mechanische Eigenschaften einbüßen. So wird ein leichter und stabiler Werkstoff geschaffen, der obendrein durch produzierte Hohlräume Material und somit im Endeffekt auch schädliche Klimagase einspart 1.
Eingesetzt werden diese Werkstoffe heute teilweise schon in Form von z. B. Aluminiumschaum in Flugzeugen, die dieses um ein Vielfaches leichter machen als die Vollgussvariante. Ein weiteres Beispiel für einen alternativen Werkstoff ist der Sandwichwerkstoff. Dieser wird in der folgenden Arbeit erklärt.
2. Was sind Sandwichwerkstoffe?
Der Sandwichwerkstoff wird seit dem Jahr 1915 Im Flugzeugbau verwendet. Erfunden wurde die Bauweise von Hugo Junkers, ein deutscher Ingenieur. Junkers nahm sich zu seiner Zeit viele Beispiele aus der Natur zum Vorbild. Unteranderem diente der Knochenaufbau der Vögel und vor allem die leichte Bauweise der Bienenwaben als große Inspiration für einen neuen leichten Werkstoff für die gerade erst in den Kinderschuhen steckende Luftfahrttechnik 3. Mit Bienenwaben lässt sich die Sandwichbauweise auch leicht erklären. Der heute übliche Sandwichwerkstoff ist ein Verbindungswerkstoff aus 2 Komponenten (vgl. Abb.2).
Er besteht aus einem zu einer Wabenstruktur gefalteten innenkern und einer Deckschicht, die diese Struktur zu beiden Seiten umhüllt.
Die Wabenstruktur besteht in den üblichsten Fällen aus Spezialpapier in Phenolharz getränkt, Aluminium, Polyurethschaum, Balsaholz oder Aramidpapier. Diese Struktur besteht entweder aus einer Honigwaben- oder Faltwabenstruktur. Die Wabenstruktur sieht hierbei tatsächlich so aus wie ein in der Natur zu findendem Bienenstock von innen. Die Faltwabe hingegen ähnelt ehr ein Selbst gefaltetes Blatt Papier. Die Deckschicht besteht aus GFK (Glaserverstärkter Kunststoff), Stahl, Aluminium oder glasfaserverstärktes Polypropylen. 4
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: schematische Darstellung einer Sandwichbauweise 5
3. Struktur und Aufbau
Die Struktur des Sandwichwerkstoffes besteht aus gekrümmten Linien (vgl. Abb. 3). Diese Linien geben eine besondere Struktur, indem sie sich selbst in alle Richtungen abstützen. Dadurch wird das gesamte Gebilde sehr stabil gegen Druck. Durch die Verwendung von Kunstfasern ist es somit auch reißfest und erhält somit eine lange Lebensdauer. 6
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 Struktur aus gekrümmten Linien 6
Der Aufbau lässt sich zunächst durch die Matrix beschreiben. Die Matrix fixiert die Fasern in gewünschter geometrischer Anordnung, verklebt die Fasern miteinander und leitet die Kräfte in jede einzelne Faser. Die Matrix übernimmt mechanische Lasten, besonders gut in Querrichtung zur Faserrichtung. Folglich schützt sie vor Umgebungseinflüssen. 6
Die Anteile von Fasern und Matrix innerhalb einer Schicht und die Faserrichtung der einzelnen Schichten hat die Folge, dass die Struktur an sich sehr stabil ist, da sie sich gegenseitig abstützt (vgl. Abb. 4) 4.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Lastverteilung einer biegebeanspruchten Sandwichstruktur 4
Ein riesiger Vorteil hierbei ist die enorme Gewichtseinsparung durch die Kombination mehrerer Werkstoffe.
4. Vergleich der Kennzahlen und Eigenschaften
Das folgende Kapitel befasst sich mit Werkstoffkennzahlen von Nomex® T412-Papier in 2 Tauchgängen mit Phenolharz imprägniert. Es handelt sich um Aramidpapier. Hergestellt ist wird es von der Firma Schütz. Es ist vom Typ Cormaster C1-3.2-29, C1-3.2-48 und C1-4.8-48ox. Bei einer Dicke von 15 mm hat die Honigwabe eine Dichte von 29 – 48 kg/m³ 4 und Die Faltwabe eine Dichte von 48 - 102 kg/m³ 4.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5 Vergleich der Kennzahlen von Falt- und Honigwabe 4
Die Kennzahlen aus diesem Vergleich sind besonders wichtig für die Luft- und Raumfahrttechnik. Sicherlich könnten die Versuchsreihen von diversen Werkstoffen als Wabenstruktur wie im Punkt eins „was sind Sandwichwerkstoffe?“ aufgelistet werden, aber genau dieses verwendete Papier findet in der Luft- und Raumfahrttechnik die meiste Verwendbarkeit. Werden diese Kennzahlen mit einander vergleichen, wird deutlich, dass die Faltwabe gegenüber der Honigwabe die bessere Festigkeit aufweist. Einzig in Dehnung und Streckung weisen beide Arten die gleichen Festigkeitswerte auf.
Eine weitere, in dieser Branche sehr verbreitete Möglichkeit der Faltwabe ist die Verwendung der Faltwabe aus CFK.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6 Druckspannung der Faltwabe im Vergleich mit Aradmidpapier und CFK 4
Aus der Abbildung 6 lässt sich erkennen, dass die CFK- Faltwabe eine höhere Druckspannung aufweist als die aus Aramidpapier.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7 Schubspannungs- Schubverzerrungs- Diagramm der Faltwabe im Vergleich mit Aramidpapier und CFK 4
Auch hier lässt sich der Vorteil von CFK gegenüber Aramidpapier durch eine höhere Schubspannung erkennen. Dies hängt mit den besseren mechanischen Eigenschaften des Aramidpapiers zusammen und wird deshalb bevorzugt eingesetzt.
Zusammenfassend lässt sich so eine klare Aussage über die mechanischen Eigenschaften einer Sandwichstruktur tätigen. Trotz der geringen Dichte beider Varianten weißt die Struktur eine sehr hohe Festigkeit auf. Hierbei ist besonders die sehr gute Druck- und Schubfestigkeit zu erwähnen. Diese Eigenschaft macht die Struktur stabil. Besonders erwähnenswert ist durch die Möglichkeit des Verzichts auf Metall die Korrosionsbeständigkeit. 4
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- Markus Oevermann (Autor), 2019, Sandwichwerkstoffe im Leichtbau. Eigenschaften, Herstellung und Anwendungsbereiche, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/986075
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