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Die Festigkeit von Schaumstoffen gegenüber Zug, Druck, Biegen usw. nimmt allgemein mit steigender
Dichte zu. Bei der Verwendung von Schaumstoffen als Konstruktionswerkstoff ergibt sich die erforderliche Min- destdichte aus den auftretenden Belastungen. Mit der Dichte ist somit auch das Gesamtgewicht der Konstruktion festgelegt und der möglichen Gewichtseinsparung gegenüber der Verwendung herkömmlicher Werkstoffe eine
Grenze gesetzt. Diese kann nur überschritten werden, wenn Schaumstoffe mit einem günstigeren Verhältnis zwischen den Festigkeitseigenschaften und der Dichte eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbundelemente aus solchen Schaumstoffen zu schaffen, deren Festigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Schaumstoffen gleicher Dichte aus dem gleichen Gerüstmaterial erhöht sind.
Die Lösung der Aufgabe macht sich den Umstand zunutze, dass ein Werkstoff nur in den seltensten Fällen in allen drei Raumrichtungen gleich hohen Belastungen ausgesetzt ist. Ein Schaumstoff mit anisotropen Festigkeits. - eigenschaften der Art, dass das Verhältnis der Festigkeitswerte zur Dichte in einer oder zwei Raumrichtungen verbessert ist, würde bereits ein geringeres Konstruktionsgewicht zulassen, als ein isotroper Schaumstoff höherer Dichte, der die gleichen Festigkeitseigenschaften in allen drei Raumrichtungen aufweist.
Es ist bereits bekannt. Schaumstoffplatten zu erhitzen und zu komprimieren, um ihnen eine erhöhte Festigkeit zu verleihen. Sie werden jedoch so angewendet, dass die Belastung in Richtung der vorangegangenen Kompression erfolgt. In dieser Richtung ist die Festigkeit jedoch höchstens geringfügig erhöht, so dass die erheblich verbesserte mechanische Festigkeit, die parallel zur Plattenrichtung liegt, nicht ausgenutzt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundelement, bestehend aus zwei Deckschichten und einem Kern aus Schaumstoff. Erfindungsgemäss besteht der Kern aus einem thermoelastischen Schaumstoff, der im thermoelastischen Zustand komprimiert und unter Aufrechterhaltung des Druckes unter die Erweichungstemperatur abgekühlt worden ist und der in dem Verbundelement so angeordnet ist, dass die Kompressionsrichtung parallel zu den Deckschichten liegt. Der in der angegebenen Weise hergestellte Schaumstoff hat eine höhere Dichte als das Ausgangsmaterial, jedoch liegen die Festigkeitseigenschaften senkrecht zur Kompressionsrichtung beträchtlich höher als die eines isotropen Schaumstoffes gleicher Dichte.
(Siehe nachfolgende Tabelle)
Tabelle
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<tb>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> und <SEP> E-Modul <SEP> komprimierter <SEP> Polymethacrylimid-Hartschaumstoffe <SEP> senkrecht <SEP> zur <SEP> Kompressionsrichtung <SEP> im <SEP> Vergleich
<tb> zu <SEP> nicht <SEP> komprimierten <SEP> Schaumstoffen <SEP> gleicher <SEP> Dichte
<tb> Dichte <SEP> Zugfestigkeit <SEP> E-Modul
<tb> 80 <SEP> kg/m3 <SEP> komprimiert <SEP> 32 <SEP> kp/cmz <SEP> 1600 <SEP> kp/cmz <SEP>
<tb> nicht <SEP> komprimiert <SEP> 27 <SEP> kp/cmz <SEP> 1200 <SEP> kp/cm
<tb> 140 <SEP> kg/m3 <SEP> komprimiert <SEP> 58 <SEP> kp/cm <SEP> 3000 <SEP> kp/cm2
<tb> nicht <SEP> komprimiert <SEP> 48 <SEP> kp/cm2 <SEP> 2100 <SEP> kp/cm2
<tb> 200 <SEP> kg/m3 <SEP> komprimiert <SEP> 92 <SEP> kp/cm <SEP> 4400 <SEP> kp/cm
<tb> nicht <SEP> komprimiert <SEP> 73 <SEP> kp/cm <SEP> 3200 <SEP> kp/cm
<tb>
Schaumstoffe aus
thermoelastischem Kunststoff zeichnen sich dadurch aus, dass der das Gerüst aufbauende Kunststoff beim Überschreiten der Erweichungstemperatur noch nicht plastisch fliesst, sondern bei einer Verformung eine elastische Rückstellkraft aufbaut und bei Nachlassen der verformenden Kraft seine ursprüngliche Gestalt wieder annimmt. Bleibt die verformende Kraft jedoch bestehen, bis der Schaumstoff unter die Erweichungstemperatur abgekühlt ist, so behält er die verformte Gestalt auch nach dem Nachlassen der Kraft bei.
Die im Ausgangsmaterial in grober Näherung kugelförmigen Einzelzellen sind im komprimierten Material lin- senförmig. Ein im Sinne der Erfindung hergestellter Schaumstoffkörper dehnt sich daher wieder aus, wenn er unbelastet über den Erweichungspunkt erwärmt wird. Erfolgt die Verformung dagegen im thermoplastischen Bereich, so bilden sich kaum Rückstellkräfte aus und die durch Verformung entstehende Gestalt ist auch bei hoher Temperatur beständig. Zu der gewünschten linsenförmigen Ausbildung der Zeilen kommt es dabei jedoch nicht.
Für die Herstellung von Verbundelementen gemäss der Erfindung sind daher solche Schaumstoffe in hohem Masse geeignet, die beim Erwärmen einen ausgeprägten thermoelastischen Zustand erreichen oder durchlaufen. Hiezu gehören Schaumstoffe aus Polyvinylchlorid oder Polymethylmethacrylat. Dagegen ist bei Schaumstoffen aus mehr oder weniger kristallinen Kunststoffen wie Polyolefinen, Polycarbonaten, Polymethylenoxyd oder Polyamiden der thermoelastische Temperaturbereich sehr eng oder gar nicht vorhanden. Die Verwendung von Schaumstoffen für die Zwecke der Erfindung setzt voraus, dass sie wenigstens in einem schmalen Temperaturbereich thermoelastische Eigenschaften aufweisen und dass dieser Temperaturbereich während der Verarbeitung genau eingehalten wird.
Die Übergänge vom festen in den thermoelastischen Bereich und von diesem in den thermoplastischen Bereich sind fliessend und die Zustände selbst nicht immer deutlich ausgeprägt. Werden Schaumstoffe
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aus Kunststoffen der zuletzt beschriebenen Art bei erhöhter Temperatur zusammengedrückt, so tritt eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften über die Festigkeit gleich dichter, nicht komprimierter Schaumstoffe hinaus nur in dem Masse ein, wie das Material unter den Verarbeitungsbedingungen thermoelastisches Verhalten zeigte.
Schaumstoffe aus hochvernetzten Werkstoffen können, da sie beim Erwärmen nicht thermoelastisch werden, nicht im Sinne der Erfindung verarbeitet werden. Dies trifft vor allem für Phenolharzschäume, Harnstoff-Formaldehyd- und Polyurethanschaumstoffe zu. Dagegen können schwach vernetzte Schaumstoffe oder solche, die sehr hoch liegende Erweichungspunkte aufweisen und nicht mehr in einen thermoplastischen Zustand übergehen können, in den meisten Fällen bei ausreichend hoher Temperatur komprimiert werden. Der Festigkeitsgewinn ist bei diesen Materialien besonders hoch. Als Beispiel für Schaumstoffe dieser Art sei Polymethacryl1mid - schaumstoff genannt.
Da die Festigkeit dieses Schaumstoffes nach dem vollen Ausschäumen bei weiterem Erhitzen auf etwa 2000C noch deutlich zunimmt, ist es besonders vorteilhaft, den Schaumstoff unmittelbar nach dem Aufschäumen ohne zwischenzeitliche Abkühlung zu komprimieren und die endgültige Aushärtung im komprimierten Zustand vor sich gehen zu lassen. Es ist indessen auch möglich, den fertig ausgehärteten Schaumstoff erneut zu erhitzen und dann zu komprimieren. Die erforderliche Kompression ist nicht auf einen bestimmten Bereich der Anfangs- und Enddichte beschränkt. Die eingesetzten Schaumstoffe können beispielsweiseDichten von 20 bis 600 g/l haben und-je nach der gewünschtenFestigkeitszunahme - auf 20 bis zo ihrer ursprünglichen Dicke zusammengedrückt werden.
Da sich noch dichte Schaumstoffe beim Komprimieren den Dichten der entsprechenden Massivwerkstoffe nähern und eine Gewichtsersparnis gegenüber diesen kaum noch gegeben ist, spielt in der Praxis die Verarbeitung leichter Schaumstoffe im Bereich von 30 bis 200 g/l und ihre Kompression auf nicht weniger als die Hälfte ihres ursprünglichen Volumens eine bevorzugte Rolle.
Die als Ausgangsmaterial verwendeten Schaumstoffe werden im allgemeinen in Form verhältnismässig dünner Platten erzeugt. Eine Kompression ist praktisch nur senkrecht zur Plattenebene möglich. Die erhaltenen
Platten weisen dann nur parallel zur Plattenebene verbesserte Festigkeitseigenschaften auf. Platten mit senk- recht zur Plattenebene erhöhter Festigkeit lassen sich dadurch herstellen, dass man mehrere vorher komprimierte
Platten miteinander zu einem Block verklebt und daraus senkrecht zu den Klebeflächen Platten schneidet. Zur weiteren Verstärkung können in die Klebschicht Gewebe oder Vliese aus Textil- oder Mineralfasern eingebettet werden.
In den Verbundelementen gemäss der Erfindung ist der Schaumstoffkern so angeordnet, dass er senkrecht zur
Ebene der Deckflächen erhöhteFestigkeit aufweist. Da die Richtung der erhöhten Festigkeit wieder senkrecht zur
Kompressionsrichtung steht, liegt die letztere parallel zu den Deckschichten. Die Kernschicht der neuen Verbundelemente ist in der Regel aus den oben beschriebenen Platten hergestellt, die aus einem Block verklebter komprimierter Schaumstofftafeln senkrecht zur Kompressionsrichtung geschnitten worden sind.
Sie werden in an sich bekannter Weise zu Verbundelementen erarbeitet, indem man entweder auf ihrer Oberfläche aus flüssigen Giessharzen, beispielsweise auf Basis von ungesättigten Polyestern, Acrylkunststoffen oder Epoxydharzen, gegebenenfalls unter Mitverwendung von Glasfasermatten oder andern Geweben oder Vliesstoffen, Deckschichten erzeugt oder vorgefertigte Deckschichten, z. B. aus Kunststoff, aufklebt. Deckschichten von hoher Zugfestigkeit, wie z. B. Metall, ergeben besonders druckfeste und biegesteife Verbundelemente.
Schaumstoffkerne aus Polymethacrylimidschaum bieten den besonderen Vorteil, dass sie nicht nurungewöhnlicheDruckfestigkeiten erreichen lassen, sondern auch beständig gegenüber allen flüssigen Giessharzen und lösungsmittelhaltigen Klebstoffen sind. in den Zeichnungen ist das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäss ausgebildeten Verbundelementes mit gegenüber der tatsächlichen Ausführung veränderten Massen grundsätzlich dargestellt.
EineAusgangsplatte mit den Kantenlängen-b und l-und der Höhe-h-wird gemäss Fig. 1 um rund 1/3 auf dieHöhe-h-zusammengepresst. Die dadurch entstandene gepresste Platte-Pl-wird mit auf die gleiche Weise hergestellten Platten-P2 und P3-zu einem Block verklebt und dieser wird in der in Fig. 2 dargestellten Weise in Sandwichkerne -K1.... Km, Km + l.... Kn-zerschnitten. Ein Sandwichkern wird sodann gemäss Fig. 3 beiderseits mit Deckschichten-D-aus Aluminium oder auch aus einem andern Werkstoff überzogen. Fig. 4 zeigt die beim Pressen entstandene Orientierung (Formänderung) des Zellgefüges, u. zw. in dem durch den Kreis-C-in Fig. 3 dargestellten Bereich.
Dabei deuten die längeren Pfeile grössere und die kürzeren Pfeile geringere Festigkeit an.
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:Zylinderschleifmaschine oder mit einerDiktenhobelmaschine entfernt. Die Rohdichte der komprimierten Platte beträgt 135 kg/m, ihre Dicke nach dem Abschälen der Schäumhaut zirka 20 mm. Die Druckfestigkeit in Press- richtung (senkrecht zur Plattenebene) beträgt 11 kp/cm. Dagegen wird senkrecht zur Pressrichtung (parallel zur Plattenebene) eine Druckfestigkeit von 33 kp/cm2 gemessen.
Die Platte wird in 5 Stücke von 2000 x 200 X 20 mm aufgeteilt und die 5 Stücke werden unter Verwendung
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eines Epoxydharz-Klebers in einer Presse zu einer Gesamtschichtdicke von zirka 100 mm zusammengeklebt. Von diesem Block werden senkrecht zu den KIebf1ächen längliche Platten von 2000 x 100 x 20 mm geschnitten. Die Platten dienen als Kemlage für Sandwichelemente. Als Deckschichten werden 2 mm dicke Aluminiumbleche verwendet, die mit Epoxydharz-Kleber in einer Presse bei zirka 1500C aufgeklebt werden.
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und der in dem Verbundelement so angeordnet ist, dass die Kompressionsrichtung parallel zu den Deckschichten liegt.