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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines in Sandwichbauweise gefertigten Prüfkörpers, der aus einem Kernmaterial als Kernschicht und aus einen Kunststoff aufweisende Decklagen, die an zwei gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht mit dem Kernmaterial mittels einer Klebverbindung verklebt werden, zusammengesetzt wird, sowie die Verwendung dieses Prüfkörpers.
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Bauteile, die in einer Sandwichbauweise gefertigt wurden, weisen gegenüber herkömmlichen Bauteilen den besonderen Vorteil auf, dass sie in Bezug auf ihre Festigkeit und Steifigkeit ein besonders geringes Gewicht aufweisen. Dies wird in der Regel mit einem größeren Bauteilvolumen erkauft.
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Bei der Sandwichbauweise wird das Bauteil aus mehreren Schichten verschiedener Werkstoffe mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt, wobei die häufigste Variante Bauteile mit drei Schichten sind. Dabei wird eine Kernschicht durch zwei außenliegende Deckschichten begrenzt. Als Kernmaterialien eignen sich beispielsweise Aramid, Papier, Aluminium, Glas- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe, die meist wabenförmig ausgeführt sind. Als Kernmaterialien eignen sich ebenso Hartschäume nahezu aller Kunststoffe sowie geschäumte Metalle wie Aluminium, Magnesium und Lithium sowie Legierungen. Die Decklagen der Deckschichten bestehen meistens aus faserverstärkten Kunststoffen, wobei Aramid, Glas- und Kohlestofffasern und Kombinationen anzutreffen sind. Um eine dauerhafte und feste Verbindung zwischen dem Kernmaterial und dem Decklagen herzustellen, ist zwischen den Decklagen und dem Kernmaterial eine Klebschicht vorgesehen, mit der die Decklagen mit dem Kernmaterial mittels einer Klebverbindung verklebt werden.
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Um neue Werkstoffe, die aus verschiedenen Kombinationen von Materialien in Sandwichbauweise gefertigt werden, im industriellen Umfeld anwenden zu können, ist es erforderlich, die Belastungskennwerte derartiger neuer Werkstoffe sicher ermitteln zu können. Hierfür wird an eigens dafür hergestellten Prüfkörpern eine entsprechende Festigkeitsprüfung durchgeführt, um zu ermitteln, ab wann und bei welchen Belastungen das Material nachgibt. Bei Sandwich laminaten, bei der die Decklagen aus einem faserverstärktem Kunststoff gebildet werden, wird die Druckfestigkeitsuntersuchung vorwiegend nach der ASTM C 364-99 durchgeführt. Hierbei wird eine Kraft über die Stirnflächen des Probekörpers eingeleitet, wobei je nach gewählter Probengeometrie und Materialeigenschaft bis zu vier Versagensarten möglich sind. Insbesondere soll untersucht werden, ab welchen Belastungen sich die Decklagen von dem Kernmaterial lösen oder ab wann es zu einer Oberflächenveränderung durch Beulung der Decklagen kommt.
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Bei einer derartigen Festigkeitsprüfung, bei dem ein Probenkörper aus dem gewünschten Kernmaterial und dem gewünschten Material der Decklagen hergestellt wurde, besteht die Gefahr, dass der Kernwerkstoff des Probenkörpers im Lasteinleitungsbereich kollabiert. In einer realen Anwendung sind die Lasteinleitungsbereiche jedoch gezielt so gestaltet, dass es in diesem Bereich nicht zum Kollabieren des Kernmaterials der Sandwichstruktur kommt. Im Versuch führt also ein Versagen des Kernwerkstoffes im Lasteinleitungsbereich zu einer Verfälschung des Messergebnisses, so dass das Ergebnis demzufolge nicht für eine Bauteilauslegung zulässig ist.
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Daher wird in der Praxis häufig der Prüfkörper in zwei Schritten hergestellt. Zunächst werden die Decklagen aus dem gewünschten Material, meist ein faserverstärkter Kunststoff, hergestellt. Nach deren vollständigen Aushärtung werden die Decklagen dann mittels einer Klebverbindung verklebt, die in einem zweiten Aushärtungsschritt vollständig ausgehärtet wird. Im Lasteinleitungsbereich wird in die Kernschicht dann ein geeignetes, druckstabiles Material eingefüllt, um so ein vorzeitiges Versagen des herkömmlichen Kernwerkstoffes während der Festigkeitsprüfung zu vermeiden. Der Grund für den zweistufigen Aufbau liegt darin, dass das Füllmaterial im Lasteinleitungsbereich nicht zusammen mit den Decklagen ausgehärtet werden kann, da durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien der Prüfkörper nicht an reale Bedingungen angepasst ist und es so wiederum zu einer Verfälschung des Messergebnisses kommt.
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Andererseits führt der zweistufige Aufbau ebenfalls zu einer Verfälschung des Messergebnisses, da ein Verkleben bereits ausgehärteter Decklagen mit dem Kern zu einem abweichenden Zustand führt. Denn bei der Herstellung realer Bauteile werden diese meist so hergestellt, dass die Decklagen mit der Kernschicht zusammen in einem Aushärtungsprozess ausgehärtet und verklebt werden. Durch einen zweistufigen Herstellungsprozess, bei dem zuerst die Decklage separat ausgehärtet wird und anschließend die ausgehärteten Decklagen mit der Kernschicht verklebt werden, sind im Übergangsbereich sowohl chemische als auch geometrische Abweichungen festzustellen, so dass sich ein solcher Prüfkörper während der Festigkeitsprüfung anders verhält als der tatsächlich in der Anwendung befindliche Werkstoff.
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Aus der
DE 10 2010 002 131 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Windenergieanlagen-Rotorblättern bekannt, die aus einem Kernmaterial und darauf aufliegenden Decklagen aus Faserhalbzeugen gebildet werden. Die Kerne weisen hierbei Kanalabschnitte auf, in denen Matrixmaterial fließen kann, so dass eine vollständige Tränkung der Decklagen im Herstellungsprozess sichergestellt werden kann.
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Aus der
GB 2 476 686 A ist die Herstellung eines Sandwichpaneels offenbart, bei dem unterschiedliche Kernwerkstoffe verwendet werden, um so die mittlere Dichte des Sandwichpaneels zu reduzieren.
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Aus der
DE 103 42 183 A1 ist ein Kernverbund und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem Krafteinleitungsstellen mit in Dickenrichtung des Kernverbundes durchsetzten Armierungselementen vorgesehen sind. Dabei ist unter anderem auch vorgesehen, in Bereichen dieser Krafteinleitungsstellen die Kernschicht zu entfernen bzw. zu stauchen, um so eine höhere Stabilität der Krafteinleitungsstellen zu erreichen.
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Aus der WO 2011/ 012 647 A1 ist eine schlagzähmodifizierte Zusammensetzung auf Epoxidharzbasis bekannt, wobei mindestens ein Epoxidharz mit durchschnittlich mehr als einer Epoxidgruppe pro Molekül, das nicht der Definition der Komponenten C2) entspricht, wobei C2) mindestens eine oligomere oder polymere Urethangruppen-freie Polyether-Verbindung ist, vorgesehen ist.
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Aus der
WO 99/ 17 925 A1 ist schließlich ein nicht-poröses Material zur Verfestigung von Bauteilen bekannt, wobei das nicht-poröse Material zunächst aus einem porösen Material durch Infiltration von Matrixharz und Aushärten des Matrixharzes gebildet wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Prüfkörpers anzugeben, mit dem neue Materialkombinationen von Werkstoffen in Sandwichbauweise hinsichtlich ihrer Materialkennwerte praxisnah untersucht werden können.
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Die Erfindung wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines in Sandwichbauweise gefertigten Prüfkörpers der eingangs genannten Art gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Decklagen sowie die Klebverbindung zwischen Decklagen und Kernwerkstoff in einem gemeinsamen Aushärtungsprozess ausgehärtet werden, wobei in die Kernschicht in mindestens einem Lasteinleitungsbereich zwischen den Decklagen des Prüfkörpers vor dem gemeinsamen Aushärten ein entfernbarer Ersatzkern eingesetzt wird, der während des gemeinsamen Aushärtungsprozesses in dem Prüfkörper verbleibt.
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Ein solcher Ersatzkern weist beispielsweise ein identisches oder ähnliches Material zu dem Kernwerkstoff auf. Vorteilhafterweise weist der Ersatzkern ein Material auf, das einen gleichen oder ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie der Kernwerkstoff, wobei „ähnlich“ im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass der Wärmekoeffizient des Materials des Ersatzkerns innerhalb eines Toleranzbereiches des Wärmekoeffizienten des Kernwerkstoffes liegt.
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Nach dem gemeinsamen Aushärten der Decklage und der Klebverbindung durch Beaufschlagung von Temperatur wird der Ersatzkern aus der Kernschicht entfernt, wobei in diesem frei gewordenen Bereich der Kernschicht nunmehr ein Füllwerkstoff eingebracht wird, der formschlüssig an den Decklagen und dem Kernwerkstoff, der in der Kernschicht an den Lasteinleitungsbereich grenzt, anliegt.
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Der Füllwerkstoff besteht insbesondere aus einem Material, das eine für die Festigkeitsprüfung hinreichende Druckfestigkeit aufweist, so dass es während der Druckfestigkeitsprüfung im Lasteinleitungsbereich nicht zu einem Versagen des Füllwerkstoffes kommt. So hat sich beispielsweise ein Epoxydkunststoff mit Quarzsand und ggf. zusätzlichen Kurzfasern als geeignet herausgestellt.
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Besteht der Kernwerkstoff beispielsweise aus einem wabenförmigen Kernmaterial, so grenzt der Füllwerkstoff formschlüssig an den Kernwerkstoff so an, dass die offenen oder geschlossenen Waben der Grenzschicht durch den Füllwerkstoff ausgefüllt werden.
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Ein derartiger Prüfkörper besitzt zwei wesentliche Vorteile. Zum einen wird ein Prüfkörper hergestellt, bei dem die Decklagen sowie die Klebverbindung zwischen Decklagen und Kernwerkstoff in einem gemeinsamen Aushärtungsprozess ausgehärtet werden, so dass Abweichungen im Übergangsbereich zu tatsächlich hergestellten Bauteilen ausgeschlossen werden. Zum anderen lässt sich ein Prüferkörper herstellen, bei dem es im Lasteinleitungsbereich nicht zu einem vorzeitigen Versagen der Kernschicht kommt, was ebenfalls die Messergebnisse realitätsnäher hinsichtlich der tatsächlichen Belastungskennwerte darstellt.
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Mit Hilfe eines derartigen Prüfkörpers wird es darüber hinaus auch möglich, die Last bzw. Kraft im Lasteinleitungsbereich über die Decklagen in den Prüfkörper einzuleiten und nicht wie in der Praxis häufig ausschließlich über die Stirnseiten, was in der Regel zu einem frühzeitigen Versagen der Kernwerkstoffe führt. Vielmehr wird im Lasteinleitungsbereich die Kraft über die Decklagen eingeleitet, so dass hier gezielt die entsprechenden Festigkeiten der Decklagen und Klebverbindungen geprüft werden können. Hierzu kann der Prüfkörper im Lasteinleitungsbereich in eine Spannvorrichtung eingespannt werden, welche zunächst eine Spannkraft über die Decklagen in Richtung des Füllwerkstoffes im Lasteinleitungsbereich ausübt. Über diese Einspannkraft kann nun eine Kraft parallel zu den Decklagen in den Prüfkörper eingebracht werden, ohne hierfür eine Kraft ausschließlich über die Stirnseiten der Kernschicht einleiten zu müssen.
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Die Herstellung eines derartigen Prüfkörpers kommt somit hinsichtlich der Beschaffenheit des Prüfkörpers einem originalen Bauteil aus einem derartigen Werkstoff am nächsten, so dass in Bezug auf einen solchen hergestellten Prüferkörper realistische Materialkennwerte dieses Werkstoffes ermittelt werden können.
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Die Decklagen können dabei aus einem Faserverbundwerkstoff mit Verstärkungsfasern und einem Kunststoff als Matrixmaterial gebildet werden, beispielsweise aus sogenannten Prepregs. Der Kernwerkstoff kann beispielsweise ein wabenförmiger oder schaumförmiger Kernwerkstoff sein, wobei derartige Kernwerkstoffe in der Regel Hohlkammern oder Hohlräume aufweisen, um dem Prinzip des Leichtbaus Rechnung zu tragen.
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Vorteilhafterweise wird für den Ersatzkern ein Material verwendet, das dem Kernwerkstoff entspricht. Denkbar ist auch, dass der Ersatzkern aus dem Kernwerkstoff gebildet ist. So kann der Ersatzkern beispielsweise ein Material aufweisen, das auch der Kernwerkstoff aufweist, wobei der Ersatzkern dann monolithisch aus dem Material des Kernwerkstoffes gebildet sein kann.
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Weist beispielsweise der Kernwerkstoff ein wabenförmiges Aluminiummaterial auf (Aluminiumwaben), so ist es vorteilhaft, wenn der Ersatzkern aus einem monolithischen Aluminiummaterial ähnlich zu dem Aluminium des Kernwerkstoffes gebildet ist. Kernwerkstoff und Ersatzkern haben dann den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass es während des Aushärtens durch Beaufschlagung von Temperatur und ggf. Druck nicht zu einer Abweichung bezüglich des realen Werkstoffes kommt.
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Um das Entfernen des Ersatzkernes aus der Kernschicht nach dem gemeinsamen Aushärten zu begünstigen, ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Ersatzkern und den Decklagen und/oder dem angrenzenden Kernwerkstoff ein Trennmittel, beispielsweise in Form einer Trennfolie, vorgesehen wird, so dass sich der Ersatzkern nach dem gemeinsamen Aushärten ohne Beschädigung des Prüfkörpers entfernen lässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist im Lasteinleitungsbereich auf der äußeren Oberfläche der Decklagen ein Doppler angeordnet, der vor dem gemeinsamen Aushärten von Decklage und Klebverbindung auf die Decklage aufgebracht wird und mit der Klebverbindung verklebt wird, die der Klebverbindung zwischen Decklage und Kernmaterial entspricht. Durch das Aufbringen eines Dopplers im Lasteinleitungsbereich kann bei einer Festigkeitsuntersuchung eine vorzeitige Beschädigung des Prüfkörpers verhindert werden, welche das tatsächliche Prüfergebnis verfälschen würde. Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe eines derartigen Dopplers größere Druckkräfte beziehungsweise Schubkräfte in den Probekörper einbringen, ohne die Decklage des Probekörpers im Lasteinleitungsbereich zu beschädigen.
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Durch die Verwendung einer Klebverbindung zwischen Decklage und Doppler, die der Klebverbindung zwischen Decklage und Kernmaterial entspricht, beispielsweise durch Verwendung ein und desselben Klebstoffes (beispielsweise aushärtbarer Kunststoff), lässt sich der Doppler auf der Decklage zusammen mit dem gemeinsamen Aushärtungsprozess aushärten und mit der Decklage verkleben. Hierdurch wird eine wesentlich bessere Verbindung zwischen Doppler und Decklage erreicht, so dass entsprechende Schubkräfte im Lasteinleitungsbereich sicher in den Probekörper eingeleitet werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform entspricht die Klebverbindung zwischen den Decklagen und dem Kernwerkstoff dem Kunststoff der Decklagen, was den entscheidenden Vorteil hat, dass sowohl die Decklagen als auch die Klebverbindung bei gleicher Aushärtungstemperatur ausgehärtet werden können. Hierdurch können der gemeinsame Aushärtungsprozess wesentlich vereinfacht und die Kosten für den Probekörper reduziert werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1a - Prüfkörper bei der Herstellung mit dem Ersatzkern;
- 1b - Prüfkörper beim Entfernen des Ersatzkerns;
- 1c - Prüfkörper mit Füllwerkstoff.
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1a zeigt einen Prüfkörper 1, der in Sandwichbauweise gefertigt eine Kernschicht SK und zwei Deckschichten SD an jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten hat. In der Kernschicht SK des Prüfkörpers 1 ist ein Kernwerkstoff 2 vorgesehen, der beispielsweise ein wabenförmiger oder schaumförmiger Kernwerkstoff sein kann. Über eine Klebverbindung 3 schließt sich an der oberen und an der unteren Seite des Kernwerkstoffes 2 jeweils eine Decklage 4a und 4b an, welche die äußere Oberfläche des Prüfkörpers 1 bilden.
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In einem Lasteinleitungsbereich L, in dem der Prüfkörper 1 in eine Einspannvorrichtung eingespannt und eine Kraft in Richtung der Lasteinleitungsbereiche L zueinander eingeleitet wird, ist in der Kernschicht SK ein Ersatzkern 5 vorgesehen, der im Wesentlichen aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material beziehungsweise Werkstoff wie der Kernwerkstoff 2 besteht. Ist der Kernwerkstoff 2 beispielsweise ein wabenförmiges Aluminium, so ist es vorteilhaft, wenn der Ersatzkern 5 ebenfalls aus Aluminium besteht, beispielsweise in Form eines monolithischen Aluminiumblockes oder ebenfalls wabenförmig ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel der 1a weist der Prüfkörper 1 jeweils zwei Lasteinleitungsbereiche L auf und zwar am linken und am rechten Ende des Prüfkörpers 1.
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Im Bereich der Lasteinleitungsbereiche L wird des Weiteren auf die Decklagen 4a und 4b jeweils ein Doppler 6 mittels einer Klebverbindung 7 aufgebracht, um die Lasteinleitungsbereiche L zu verstärkten und somit eine gute Einleitung der Schub- beziehungsweise Druckkraft in dem Prüfkörper 1 in Richtung der Lasteinleitungsbereiche L zueinander zu bewirken. Die Klebschicht beziehungsweise Klebverbindung 7 kann dabei identisch mit der Klebverbindung 3 zwischen Kernwerkstoff 2 und Decklagen 4a, 4b ausgebildet sein. Des Weiteren kann die Klebverbindung 7 und/oder die Klebverbindung 3 ähnlich oder identisch zu dem Kunststoff der Decklagen 4a, 4b sein, was eine besonders gute Anhaftung der Decklagen 4a, 4b und/oder der Doppler 6 ermöglicht. Die Doppler 6 können beispielsweise aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet werden.
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Die Decklagen 4a, 4b können beispielsweise aus einem faserverstärktem Kunststoff gebildet sein.
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Ist der Prüfkörper wie in 1a dargestellt zusammengesetzt worden, so wird er unter Beaufschlagung von Temperatur und ggf. Druck, beispielsweise in einem Autoklaven, ausgehärtet, so dass mittels der Klebverbindung 3 zwischen Kernwerkstoff 2 und Decklagen 4a, 4b eine feste Verbindung zwischen Kernschicht SK und Deckschicht SD entsteht. Darüber hinaus wird beim Aushärten des Prüfkörpers 1 gleichzeitig auch die Decklage 4a, 4b mit ausgehärtet, so dass die Klebverbindung 3 sowie auch die Decklagen 4a, 4b in einem gemeinsamen Aushärtungsprozess ausgehärtet werden.
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Nach dem gemeinsamen Aushärten werden nunmehr die Ersatzkerne 5 innerhalb der Lasteinleitungsbereiche L entfernt, wie dies in 1b dargestellt ist. An deren Stelle muss nun ein druckfestes Material eingefüllt werden, um die Lasteinleitungsbereiche L in der Kernschicht SK auszufüllen.
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Wie in 1c dargestellt, werden die Lasteinleitungsbereiche L mit einem Füllwerkstoff 8 ausgefüllt, der ein druckfestes Material aufweist, beispielsweise ein Epoxydkunststoff, der vorzugsweise mit Quarzsand gemischt ist. Für eine weitergehende Festigkeit könnten beispielsweise auch Kurzfasern zu dem Füllwerkstoff 8 hinzugefügt werden. Als Füllwerkstoff 8 eignen sich dabei jegliche Werkstoffe, die eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, und zwar derart, dass sie die für die Festigkeitsprüfung vorgesehenen Belastungen ohne nennenswerte Verformung standhalten.
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Der so hergestellte Prüfkörper 1, wie er in 1c dargestellt ist, kann nun einer Festigkeitsprüfung unterzogen werden, um die entsprechenden Materialkennwerte der jeweiligen Materialkombination von Kernwerkstoff 2 und Decklagen 4a, 4b ermitteln zu können. Dabei wurde sichergestellt, dass die Klebverbindung 3 zusammen mit den Decklagen 4a, 4b in „einem Schuss“, das heißt, bei einem gemeinsamen Aushärten, hergestellt wurden, was einer sehr realitätsnahen Herstellung eines Bauteils nahekommt. Gleichzeitig wurden in den Lasteinleitungsbereichen L entsprechende Verstärkungen eingebracht, die so ausgebildet sind, dass sie den Belastungen standhalten, ohne dabei den Kernwerkstoff 2 zu beschädigen. Dies wird erreicht, indem der Füllwerkstoff 8 im Grenzbereich 9 zwischen Kernwerkstoff 2 und Füllwerkstoff 8 formschlüssig an dem Kernwerkstoff 2 anliegt. Offene Wabenkammern beispielsweise werden vollständig ausgefüllt. Ein Versagen des Kernwerkstoffes 2 aufgrund einer schlechten Anbindung des Füllwerkstoffes 8 kann somit vermieden werden.
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Auf diese Art und Weise lässt sich ein realitätsnaher Prüfkörper 1 mit relativ geringen Kosten herstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prüfkörper
- 2
- Kernwerkstoff
- 3
- Klebverbindung
- 4a, 4b
- Decklagen
- 5
- Ersatzkern
- 6
- Doppler
- 7
- Klebverbindung
- 8
- Füllwerkstoff
- 9
- Grenzschicht
- SK
- Kernschicht
- SD
- Deckschicht
- L
- Lasteinleitungsbereich
