DE102021133916A1

DE102021133916A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils

Info

Publication number: DE102021133916A1
Application number: DE102021133916.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Neumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils, welches eine erste Decklage aus einem Decklagenmaterial hat, eine zweite Decklage aus einem Decklagenmaterial hat und eine dazwischenliegende und aus einem Kernschichtmaterial gebildete Kernschicht hat, die im Mittel eine geringere Massedichte als das Decklagenmaterial der ersten Decklage und der zweiten Decklage hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen einer gießfähigen Materialmischung in einem Hohlraum eines Werkzeuges zur Herstellung der Kernschicht, wobei die Materialmischung einen Stützstoff aus einem Vollmaterial und mindestens einen in den Stützstoff eingebetteten zusätzlichen Füllstoff umfasst und der mindestens eine zusätzliche Füllstoff eine von dem Stützstoff abweichende physikalische Massedichte hat;- Durchführen eines Separationsprozesses zur Herstellung der Kernschicht, bei dem eine teilweise Separation des Stützstoffes und des mindestens einen Füllstoffes der Materialmischung erfolgt, bis ein gewünschter Separationsgrad erreicht wurde;- Durchführen eines Aushärteprozesses nach dem Separationsprozess, bei dem der Stützstoff ausgehärtet wird und so den mindestens einen Füllstoff integral in einen Festkörper einbettet, um die Kernschicht herzustellen;- Entformen der hergestellten Kernschicht aus dem Hohlraum des Werkzeuges; und- Herstellen des Sandwichbauteils unter Verwendung der hergestellten Kernschicht.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils, welches eine erste Decklage aus einem Decklagenmaterial hat, eine zweite Decklage aus einem Decklagenmaterial hat und eine dazwischenliegende und aus einem Kernschichtmaterial gebildete Kernschicht hat, die im Mittel eine geringere Massedichte als das Decklagenmaterial der ersten Decklage und der zweiten Decklage hat.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei in der Regel zwei wesentliche Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Zur Herstellung des Faserverbundbauteils wird dabei das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließend meist unter Temperatur und Druckbeaufschlagung des das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterial ausgehärtet, so dass Fasermaterial und Matrixmaterial eine integrale Einheit bilden. Auf diese Art werden die Verstärkungsfasern des Fasermaterials in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können so die auftretenden Lasten abtragen.
Dabei wird zwischen trockenem Fasermaterial, welches in einem späteren Infusionsverfahren mit dem Matrixmaterial getränkt wird, und vorimprägnierten Fasermaterialien (auch Prepregs genannt), die bereits mit dem Matrixmaterial vor dem Einlegen in das Formwerkzeug getränkt sind, unterschieden.
Um dem Leichtbaugedanken weitere Rechnung zu tragen, ist es nicht nur bekannt, die mechanischen Eigenschaften solcher Faserverbundbauteile lokal anzupassen, sondern auch vermehrt Faserverbundbauteile in einer Sandwichbauweise herzustellen. Dabei wird zwischen Decklagen aus einem Faserverbundwerkstoff eine Kernschicht angeordnet, die aus einem Kernschichtmaterial gebildet ist, die im Mittel eine geringere Massedichte aufweist als die Decklagen. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften des gesamten Bauteils, insbesondere die Biege- und Torsionseigenschaften, deutlich verbessert, ohne hierdurch signifikant mehr Gewicht in das Bauteil einzubringen.
Eine essenzielle Bedeutung haben dabei Sandwichbauteile, bei denen zwischen den für die Festigkeit notwendigen Decklagen (beispielsweise Faserlagen eines Faserverbundwerkstoffes) entsprechende Stützstoff eingebracht werden, die für die Festigkeit des gesamten Bauteils bedeutsam sind. Diese Stützstoffe weisen in der Regel schlechte mechanische Eigenschaften bei einer geringen Dichte auf und erhöhen gemäß des Steinerschen Satzes das Trägheitsmoment des Sandwichbauteils bei annähernd gleichbleibender Masse erheblich, was in einer entsprechenden Erhöhung der Steifigkeit resultiert.
Für die Kernschicht kommen dabei zwei wesentliche Gestaltungsformen vor, nämlich zum einen Vollmaterialien und zum anderen Hohlstrukturen, wie bspw. Wabenstrukturen bzw. Wabengitter. Solche Hohlstrukturen werden dabei beispielsweise aus Papier, Pappe, Metall oder Kunststoff gefertigt und weisen eine Vielzahl von Hohlräumen auf, die durch die einzelnen Waben gebildet werden. Zwar eignen sich solche Wabenstrukturen insbesondere dann, wenn ein besonders hohes Maß an Leichtbau gefordert wird. Allerdings sind Kernschichten in Wabenstruktur aufgrund der durch die Wabenstruktur gebildeten Hohlräume schlag- und druckempfindlich in Richtung Kernschicht, sodass sich derartige Sandwichbauteile nicht an besonders exponierten Stellen eignen (beispielsweise als Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken).
Vollmaterialien, wie beispielsweise Balsaholz, Kunststoffe oder Schäume (bspw. Polymerschäume) weisen hingegen eine größere Dichte auf und führen somit unweigerlich zu einem höheren Gewichtseintrag in das Bauteil, sind jedoch deutlich unempfindlicher bei Schlag- und Druckeinwirkung in Richtung Kernschicht, sodass es deutlich seltener bei einer Krafteinwirkung in Richtung Kernschicht zum Versagen der Kernschicht kommt.
Gängige Stützstoff (wie bspw. syntaktische Schäume aus Kunststoffmaterialien), die bei Kernschichten aus einem Vollmaterial gewählt werden, werden anhand von Dichte, Brandschutzvorgaben, Wirtschaftlichkeit, aber auch der zu erwartenden thermischen und mechanischen Belastung ausgewählt. Unterscheiden sich die thermischen und mechanischen Belastungen über das gesamte Bauteil hinweg sehr stark, erfolgt die Auswahl meist basierend auf der höchsten geforderten Belastbarkeit.
Bei einer Auswahl des Kernschichtmaterials nach der global dimensionierten thermischen und/oder mechanischen Maximalbelastung kann in Bereichen geringer Belastung unter Umständen nicht das maximal mögliche Leichtbaupotenzial ausgeschöpft werden, da bei Kernmaterialien mit geringer Dichte in der Regel die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften abnehmen.
Des Weiteren ist die Verwendung von sogenannten syntaktischen Schäumen für die Kernschicht bekannt, die aus einer Kombination von Hohlkugeln und/oder Vollkugeln, bspw. aus Glas, Metall oder Kunststoff sind, als Füllstoffe und einer Matrix bzw. einem Matrixmaterial als Stützstoffe gebildet sind. Für den Stützstoff kann bspw. ein Kunststoff oder Metall zum Einsatz kommen. Der Stützstoff wird anhand von Dichte, Brandschutzvorgaben, Wirtschaftlichkeit aber auch der zu erwartenden thermischen/oder mechanischen Belastungen ausgewählt. Unterscheiden sich letztere lokal über das Bauteil stark, erfolgt die Auswahl meist basierend auf der höchsten geforderten Belastbarkeit. Alternativ können mehrere Einzelkerne verwendet werden.
Bei einer Auswahl des Stützmaterials nach der global dimensionierenden Maximalbelastung kann in Bereichen geringerer Belastung nicht das maximal mögliche Leichtbaupotenzial ausgeschöpft werden, da bei Kernmaterialien mit geringerer Dichte in der Regel die mechanischen Eigenschaften abnehmen. Werden in diesem Fall für die einzelnen Regionen verschiedene Einzelkerne aus unterschiedlichen Materialien verwendet, so erhöht dies den Fertigungsaufwand teilweise erheblich, da sich beispielsweise der Zuschnitt- und Fräsaufwand bei Komplex geformten Schaumkernen erhöht. Weiterhin gestaltet sich die exakte Positionierung der Einzelkerne mitunter deutlich komplexer, da entweder mehr Positioniervorrichtungen benötigt werden oder eine Ausrichtung innenliegenderKernteile an definierten Werkzeugkanten nicht mehr möglich ist. Bei der Verwendung mehrteiliger Kerne in Infusions- und Injektionsverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus trockenem Fasermaterial besteht außerdem die erhöhte Gefahr von „Runnerbildung“. Die in das Bauteil eingebrachte Matrix sucht sich bei dem Infusions- und Injektionsvorgang den Weg des geringsten Strömungswiderstands, wodurch besonders die Spalte und Lücken an den Trennstellen zwischen den einzelnen Kernteilen zum Voreilen der Materialfront führen können. Mitunter wird so ein vollständiges Tränken des Bauteils unmöglich, was dieses unbrauchbar macht. Die Prozesssicherheit wird demnach maßgeblich verschlechtert.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 105 792.2 ist ein Sandwichbauteil bekannt, dass eine erste Decklage, eine zweite Decklage und eine dazwischen angeordnete Kernschicht aus einem Kernschichtmaterial hat. Das Kernschichtmaterial wird dabei aus einer Materialmischung aus einem Stützstoff und Füllstoffen gebildet, wobei ein Füllstoff einer ersten Art und wenigstens ein Füllstoff einer zweiten Art verwendet werden. Die Füllstoffe führen dabei zu unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Kernschicht, sodass das Sandwichbauteil lokal an bestimmte gewünschte Eigenschaften angepasst werden kann, in dem der entsprechende Füllstoff verwendet wird. Somit kann auch in Bereichen mit geringerer Belastung das Leichtbaupotenzial besser ausgeschöpft werden. Nachteilig hierbei ist, dass im Herstellungsprozess verschiedene Materialmischungen berücksichtigt werden müssen, wodurch der Herstellungsprozess und die damit einhergehenden Anlagen komplexer werden.
Aus der US 2005/0124708 A1 ist ein Sandwichbauteil bekannt, bei dem ein syntaktischer Schaum verwendet wird, der durch Mischen von Hohlkugel mit einer Matrix hergestellt ist. Durch die geringere Dichte schwimmen die Hohlkugeln auf, wobei die überschüssige Matrix abgelassen und das zurückbleibende Material, welches sich durch eine geringere Dichte als die Ausgangsmixtur auszeichnet, zum syntaktischen Schaum ausgehärtet wird.
Aus der WO 2009/144675 A1 ist die Herstellung einer Kernschicht bei einem Sandwichbauteil bekannt, bei dem eine Mischung von Hohlkugeln und Nanopartikel mit einer Matrix hergestellt wird.
Aus der WO 2006/005119 A1 ist dabei ein Verfahren bekannt, bei dem ein syntaktischer Schaum durch Mischen von Hohlkugel mit einer Matrix hergestellt wird. Die Hohlkugeln schwimmen auf in der Matrix und werden an der Oberfläche abgeschöpft und in einer Form ausgehärtet. Die überschüssige Matrix bleibt dabei zurück.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils anzugeben, mit dem die Kernschicht lokal an gewünschte Belastungen angepasst werden kann, um so das Leichtbaupotenzial noch weiter ausnutzen zu können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils beansprucht, wobei das Sandwichbauteil gattungsgemäß eine erste Decklage aus einem Decklagenmaterial hat, eine zweite Decklage aus einem Decklagenmaterial hat und eine dazwischenliegende und aus einem Kernschichtmaterial gebildete Kernschicht hat, die im Mittel eine geringere Massedichte als das Decklagenmaterial der ersten Decklage und der zweiten Decklage aufweist.
Sowohl die erste Decklage als auch die zweite Decklage können dabei aus dem gleichen Decklagenmaterial hergestellt sein, beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff als Decklagenmaterial. Denkbar ist aber auch, dass die erste Decklage aus einem ersten Decklagenmaterial hergestellt ist, während die zweite Decklage aus einem zweiten Decklagenmaterial hergestellt ist und beide Decklagenmaterialien voneinander verschieden sind.
Wie üblich bei Sandwichbauteilen, weist die Kernschicht im Mittel eine geringere Massedichte auf als das Decklagenmaterial, um so dem Gedanken des Leichtbaus Rechnung zu tragen. Dabei kann es Bereiche der Kernschicht geben, die eine größere Massedichte aufweisen als das Decklagenmaterial. Im Mittel über das gesamte Volumen der Kernschicht hinweg ist jedoch die Massedichte geringer als die gesamten Decklagen bzw. das gesamte Volumen der Decklagen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zunächst eine gießfähige Materialmischung in einem Hohlraum eines Werkzeugs zur Herstellung der Kernschicht bereitgestellt wird, wobei die Materialmischung einen Stützstoff aus einem Vollmaterial und mindestens einen in den Stützstoff eingebetteten zusätzlichen Füllstoff umfasst und der mindestens eine zusätzliche Füllstoff eine von dem Stützstoff abweichende physikalische Massedichte hat. Wie später noch gezeigt, kann die Materialmischung direkt in dem Hohlraum des Werkzeugs hergestellt werden oder zuvor als Materialmischung außerhalb des Hohlraums, wobei dann die Materialmischung in den Hohlraum eingebracht wird. Der Hohlraum des Werkzeugs kann dabei bereits die Endkontur der Kernschicht aufweisen. Denkbar ist aber auch, dass der Hohlraum nur in einer gewissen Annäherung die Endkontur der Kernschicht aufweist und in einem nachträglichen Prozessschritt nach dem Herstellen der Kernschicht diese in die gewünschte Form gebracht wird (bspw. durch Fräsen).
Bei dem Vollmaterial handelt es sich um ein im Wesentlichen die gesamte Kernschicht ausfüllendes Material. Hierunter fallen auch Schäume, beispielsweise Polymerschäume (bspw. syntaktische Schäume). Unter einem Vollmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei insbesondere keine Wabenstruktur verstanden. Dieser aus einem Vollmaterial gebildete Stützstoff wird nun durch mindestens einen zusätzlichen Füllstoff ergänzt, um so die Eigenschaften des Stützstoffes der Kernschicht zu verändern und an bestimmte Randbedingungen anpassen zu können. Die gesamte Kernschicht wird dabei integral aus dem Stützstoff und dem zusätzlichen Füllstoff gebildet.
Es wird nun ein Separationsprozess zur Herstellung der Kernschicht durchgeführt, bei dem eine teilweise Separation des Stützstoffes und des mindestens einen Füllstoffes der Materialmischung erfolgt, bis ein gewünschter Separationsgrad erreicht wurde. Aufgrund der abweichenden physikalischen Massedichte des Füllstoffes von dem Stützstoff erfolgt ein mitunter träger Auftrieb oder Abtrieb des Füllstoffes in dem Stützstoff, wodurch eine teilweise Separation stattfindet. Eine vollständige Separation findet insoweit nicht statt, sodass der Stützstoff den Füllstoff auch in einer teilweisen Separation vollständig einbettet.
Unter dem Begriff der Separation wird hierbei verstanden, dass der Füllstoff in dem Stützstoff (makroskopisch, über die gesamte Kernschicht betrachtet) nicht gleich verteilt ist. Nachdem die Materialmischung in dem Hohlraum bereitgestellt ist, liegt im makroskopischen Sinne über die gesamte Kernschicht hinweg betrachtet eine im Wesentlichen Gleichverteilung des Füllstoffes innerhalb des Stützstoffes vor. Innerhalb des Separationsprozesses wird diese Gleichverteilung aufgebrochen und es erfolgt je nach Einwirkung auf die Materialmischung eine Konzentration des Füllstoffes in einem gewissen Bereich, während in anderen Bereichen hingegen die Füllstoffe kaum oder nur sehr geringer Konzentration vorliegen. Am Ende des Separationsprozesses entsteht somit stets eine inhomogene Verteilung der Füllstoffe in dem Stützstoff und somit ein lokal unterschiedliches Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis. Es entstehen somit mehrere integrale Bereiche innerhalb der Kernschicht, bei denen sich das Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis voneinander unterscheidet, wobei aufgrund der Einteiligkeit des Stützstoffes insgesamt eine integrale Kernschicht hergestellt wird und der Übergang von einem ersten Bereich mit einem ersten Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis zu einem Bereich mit einem zweiten Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis nicht sprunghaft erfolgt, sondern stetig. Es existiert somit ein Übergangsgradient von dem ersten Bereich mit dem ersten Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis zu dem zweiten Bereich mit dem zweiten Füllstoff-Stützstoff-Volumenverhältnis.
Nach dem Separationsprozess, der über eine gewisse Zeit bis zum gewünschten Separationsgrad andauert, wird ein Aushärteprozesses durchgeführt, bei dem der Stützstoff ausgehärtet wird und so den mindestens einen Füllstoff integral in einen Festkörper einbettet, um die Kernschicht herzustellen, hierzu wird die Materialmischung nach dem Separationsprozess nicht aus dem Hohlraum des Werkzeugs entnommen, sondern stattdessen anschließend ausgehärtet.
Schließlich erfolgt die Entformung der hergestellten Kernschicht aus dem Hohlraum des Werkzeugs, um unter Verwendung dieser so hergestellten Kernschicht das Sandwichbauteil mit dem bereitgestellten Decklagen herzustellen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, eine Kernschicht zur Herstellung eines Sandwichbauteils herzustellen, die makroskopisch einen einphasigen Stützstoff hat, der eine stetige Variation bzw. einen stetigen Gradienten in der Verteilung der Werkstoffeigenschaften besitzt. Dabei unterscheidet sich die Kernschicht in den einzelnen Bereichen hinsichtlich mindestens einer physikalischen Eigenschaft, sodass die Kernschicht in diesen Bereichen unterschiedliche mechanische und/oder thermische Eigenschaften besitzt, die aus der Variation der Verteilung der Füllstoffe resultiert. Dabei entsteht ein stetiger Gradient dieser physikalischen Eigenschaft bzw. der mechanischen und/oder thermischen Eigenschaft von einem Bereich zum anderen Bereich aufgrund dieser Variation der Verteilung der Füllstoffe in dem Stützstoff. Eine solche Kernschicht ist demnach makroskopisch einphasig, mikroskopisch jedoch mehrphasig.
Die vorliegende Erfindung erreicht dabei mehrere Vorteile. So muss zum einen nur eine einzige Materialmischung hergestellt werden, wobei aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen den Füllstoffen und dem Stützstoff einer Separation hinsichtlich einer inhomogenen Verteilung der Füllstoffe in dem Stützstoff erreicht wird. Durch entsprechende Maßnahmen, wie später noch gezeigt werden, kann auf dieses Separationsprozess eingewirkt werden, beispielsweise durch eine thermische und/oder eine mechanische Einwirkung. Durch die Herstellung einer einzigen Materialmischung für die gesamte Kernschicht kann die Prozesskomplexität reduziert werden. Des Weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung der Vorteil erreicht, dass eine einteilige bzw. integrale Kernschicht hergestellt wird, die keine sprunghaften Übergänge hinsichtlich einer Materialeigenschaft aufweist und auch nicht aus mehreren einzelnen Elementen zusammengesetzt ist, wodurch die Gefahr einer „Runnerbildung“ bei der Verwendung der Kernschicht in einem Tränkungsprozess verhindert wird. Ein solcher Tränkungsprozess wird beispielsweise dann notwendig, wenn für die Decklagen trockene Fasermaterialien bei der Herstellung des Sandwichbauteils verwendet werden.
Des Weiteren wird durch die stetig verändernde Varianz der mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften in der Kernschicht eine optimale Anpassung an die vorgegebenen Randbedingungen ermöglicht. Dabei können verschiedene Arten von Füllstoffen auf variiert werden, die sich bspw. hinsichtlich physikalischer Eigenschaften unterscheiden. Solche verschiedenen Füllstoffarten unterscheiden sich bspw. hinsichtlich der Massedichte, der Schüttdichte, der Form, der Geometrie und/oder der Materialzusammensetzung.
In dem Separationsprozess wird demnach eine gewünschte inhomogene Verteilung der Füllstoffe in dem Stützstoff bewirkt, bis der gewünschte Separationsgrad erreicht ist. Der Separationsgrad gibt dabei an, wie inhomogen die Verteilung des Füllstoffes in dem Stützstoff ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schritt des Bereitstellens der gießfähigen Materialmischung umfasst:

- Bereitstellen des gießfähigen Stützstoffes aus dem Vollmaterial;
- Bereitstellen des mindestens einen zusätzlichen Füllstoffes;
- Erstellen der Materialmischung aus dem bereitgestellten Stützstoff und dem mindestens einen bereitgestellten zusätzlichen Füllstoffes durch Mischen der bereitgestellten Stoffe.

Die bereitgestellten Stoffe (Stützstoff, mindestens ein zusätzlicher Füllstoff) werden dabei in einem entsprechenden Gefäß zusammengeführt und beispielsweise unter Verwendung eines mechanischen Rührgerätes vermischt, sodass nach dem Mischprozess zunächst der Füllstoff im Wesentlichen in dem Stützstoff homogen verteilt ist. Durch den anschließenden Separationsprozess wird nun die gewünschte inhomogene Verteilung erzielt, die die oben beschriebenen Vorteile in der später hergestellten Kernschicht hat.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Materialmischung durch Mischen der bereitgestellten Stoffe in einem separaten Behältnis erstellt wird und anschließend die erstellte und gießfähige Materialmischung in den Hohlraum des Werkzeuges eingefüllt wird. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch auch in dem Hohlraum des Werkzeugs zunächst eine homogene Verteilung der Füllstoffe in dem Stützstoff vorliegt, die dann die Grundlage für den folgenden Separationsprozess ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der bereitgestellte Stützstoff und der mindestens eine bereitgestellte Füllstoff in den Hohlraum des Werkzeuges eingefüllt werden und die Materialmischung durch Mischen der bereitgestellten Stoffe in dem Werkzeug erstellt wird. Die Verwendung eines zusätzlichen Gefäßes für die Materialmischung entfällt hierbei, wobei dies sicherlich nur bei hinreichend groß dimensionierten Werkzeugen prozesssicher möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während des Separationsprozesses eine Kraft auf die Materialmischung wirkt, um die Separation des Stützstoffes und des mindestens einen Füllstoffes der Materialmischung zu beeinflussen. Eine solche Krafteinwirkung kann beispielsweise durch ein Kraftfeld erfolgen. Die Kraft wirkte dabei in eine gewünschte Separationsrichtung. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte zwischen Füllstoff und Stützstoff erfolgt so eine gewünschte Separation.
Ein solches Kraftfeld kann beispielsweise die Schwerkraft sein, die auf die Materialmischung wirkt. Dabei wird das Werkzeug so gegenüber dem Erdlot ausgerichtet, dass die Separation in die gewünschte Richtung erfolgt.
Denkbar ist aber auch (alternativ oder zusätzlich zu dem Schwerkraftfeld), dass eine Zentrifugalkraft auf die Materialmischung ausgeübt wird, beispielsweise mithilfe einer Zentrifuge. Die Anordnung des Werkzeuges in Bezug zu der Rotationsachse der Zentrifuge ermöglicht dabei eine gezielte Steuerung der Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die Materialmischung und somit eine entsprechende Steuerung der Separation.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während des Separationsprozesses in die Materialmischung zumindest teilweise ein Temperatureintrag bewirkt wird, um die Separation des Stützstoffes und des mindestens einen Füllstoffes in der Materialmischung zu beeinflussen.
Durch die Temperierung der Materialmischung ganz oder nur in bestimmten Abschnitten kann die Viskosität des Stützstoffes verändert werden, wodurch der Separationsprozess beeinflusst wird. Dadurch kann der Grad der Separation in bestimmten Bereichen aktiv gesteuert werden. Durch die Abnahme der Viskosität aufgrund der Temperierung kann dabei bspw. in den gewünschten Bereichen die Separation beschleunigt werden. Des Weiteren kann durch die Temperierung der Materialmischung ganz oder nur in bestimmten Abschnitten erreicht werden, dass der Grad der Aushärtung des Stützstoffes, der in der Materialmischung anfänglich in einer gießfähigen Form vorliegt, bereichsweise beeinflusst wird. Nimmt der Grad der Aushärtung ganz oder teilweise in der Kernschicht zu, so hat dies Auswirkungen auf die Viskosität des Stützstoffes, wodurch beispielsweise der Separationsprozess verlangsamt werden kann.
Mit dem Temperatureintrag würde somit möglich, gezielt den Separationsprozess zu beeinflussen, um so die gewünschte inhomogene Verteilung zu erreichen. So beeinflussen sich die Parameter der Krafteinwirkung und des Temperatureintrages, wodurch der Separationsprozess entsprechend gesteuert werden kann und die gewünschte inhomogene Verteilung erreicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als mindestens einen Füllstoff eine Vielzahl von Hohlkugeln, insbesondere Glasholkugeln, bereitgestellt werden. Als Stützstoff kann beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden, beispielsweise ein Matrixmaterial eines Faserverbundwerkstoffes. Es kann sich dabei um das gleiche Matrixmaterial handeln, welches auch für die Herstellung der Decklagen des Sandwichbauteils verwendet wird. Ein solches Matrixmaterial kann beispielsweise ein Harz, thermoplastische oder duroplastischer Kunststoff oder andere Polymere sein.
Neben der Fertigung einer Kernschicht mit unterschiedlichen Füllstoffen, welche durch deren dichte Unterschiede zur gewünschten Verteilung in dem Stützstoff durch den daraufhin ausgelegten Prozess geführt werden, ermöglicht das vorliegende Verfahren auch das Absondern von zerstörten Hohlkugeln aus der Materialmischung. So enthalten bereits im Anlieferungszustand die Hohlkugeln, insbesondere die Glashohlkugeln, zerbrochene Exemplare, welche die Dichte des Materials negativ beeinflussen. Außerdem können die Hohlkugeln im Mischprozess beschädigt werden. Durch die vorliegende Erfindung wird es dabei möglich, durch Sedimentation der defekten Hohlkugeln eine Erhöhung der Qualität und Absenkung der Dichte der Kernschicht zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Mischen der Materialmischung die Hohlkugeln zumindest teilweise zerstört werden.
In dieser Ausführungsform werden die zerstörten Hohlkugeln nicht aus der Materialmischung entfernt, sondern als eine zusätzliche Art des Füllstoffes verwendet. Die zerstörten Hohlkugeln weisen dabei eine von den intakten Hohlkugeln verschiedene Massedichte auf und führen zu einem anderen Separationsverhalten, wodurch verschiedene Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Dichte erzeugt werden, die stetig ineinander übergehen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines Sandwichbauteils;
2 schematische Darstellung des groben Verfahrensablaufes;
3 schematische Darstellung der Unterstützung der Separation mittels Zentrifugalkraft.

1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eines Sandwichbauteils 10 welches eine obere Decklage 11, eine untere Decklage 12 und eine dazwischen angeordnete Kernschicht 13 hat, deren Material im Mittel eine geringere Massedichte hat als das Material der oberen und unteren Decklagen 11 und 12. Dabei wird regelmäßig zunächst die Kernschicht 13 einem separaten Verfahrensschritt hergestellt und anschließend mit den oberen und unteren Decklagen 11 und 12 zusammengeführt. Die oberen und unteren Decklagen 11 und 12 können dabei beispielsweise aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gebildet sein. Die Decklagen 11, 12 können bereits ausgehärtete Bauteile darstellen, die auf die Kernschicht 13 verklebt werden. Denkbar ist aber auch, dass die Decklagen 11, 12 auf die bereits hergestellte Kernschicht 13 aufgebracht und anschließend das Matrixmaterial welches das Fasermaterial der Decklagen 11, 12 einbettet, ausgehärtete wird. Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich dabei auf die Herstellung der Kernschicht 13 in einem separaten Prozessschritt.
2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf. Zunächst wird in Schritt a) eine Materialmischung 20 in einem Behälter 30 bereitgestellt, wobei die Materialmischung einen gießfähigen Stützstoff 21 und einen Füllstoff 22 aufweist. Diese Materialmischung 20 wurde durch Mischen der beiden Stoffe 21 und 22 hergestellt, wobei nach dem zusammenführen dieser beiden Stoffe die Materialmischung 20 mittels eines mechanischen Rühergerätes durchmischt wurde.
Nach dem Durchmischen der Materialmischung 20 ist der Füllstoff 22 im Wesentlichen homogene in dem Stützstoff 21 verteilt, sodass über die gesamte Kernschicht hinweg einem Wesentlichen gleichbleibende Massedichte der Materialmischung vorliegt.
Als Füllstoff 22 wurden dabei Glashohlkugeln verwendet, die eine geringere Massedichte aufweisen als der Stützstoff 21 und somit in der Materialmischung aufschwimmen.
Nach dem Bereitstellen der Materialmischung 20 in einer homogenen Verteilung erfolgt im darauf anschließenden zweiten Schritt b) der Separationsprozess, bei dem die Glashohlkugeln des Füllstoffes 22 beginnen, nach oben zu schwimmen. Aufgrund der hohen Viskosität des verwendeten Stützstoffes 21 und der Tatsache, dass die Massedichte der Glashohlkugeln ähnlich zu der Massedichte des Stützstoffes ist, beginnen die Glashohlkugeln des Füllstoffes 22 nur langsam nach oben zu treiben.
Mithilfe einer Temperiereinrichtung 31 kann dabei der Separationsprozess beeinflusst werden, indem beispielsweise Teilbereiche oder der gesamte Behälter 30 temperiert werden. Durch die Erhöhung der Temperatur wird zum einen die Viskosität kurzzeitig verringert, wodurch die Füllstoffe 22 schneller nach oben treiben, wobei gleichzeitig je nach verwendeten Stützstoff 21 die Vernetzungsreaktion beschleunigt wird und somit die Viskosität wieder ansteigt.
Gleichzeitig setzen sich Sedimente 23 am unteren Ende des Behälters 30 ab, die aus zerstörten Glashohlkugeln des Füllstoffes 22 stammen.
Nachdem der Separationsprozess soweit fortgeschritten ist, wie die inhomogene Verteilung innerhalb des Behälters 30 gewünscht ist, erfolgt dann im letzten Schritt c) die Aushärtung des Stützstoffes 21, wodurch die Füllstoffe 22 einschließlich der Sedimente 23 in dem Stützstoff 21 fest integriert werden. Es ergibt sich dabei ein gradueller Anstieg der Massedichte vom oberen Teil des Behälters 30 entlang des Pfeils in Richtung Boden des Behälters. Im oberen Teil des Behälters, wo sich eine Vielzahl von Hohlkugeln gesammelt haben, besteht im Mittel eine geringere Massedichte, die in Richtung des Bodens des Behälters 30 zunimmt. In einem Zwischenbereich befinden sich dabei gar keine Hohlkugeln, während am Boden sich die Sedimente 23 der zerstörten Glashohlkugeln abgesetzt haben. Hier ist die Massedichte tendenziell am höchsten.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird dabei die Schwerkraft als ein Kraftfeld genutzt, um den Separationsprozess zu beeinflussen. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel nutzt hierfür zusätzlich noch eine Zentrifugalkraft, indem der Behälter 30 zusammen mit der Materialmischung 20 auf eine rotierende Platte einer Zentrifuge 32 gelegt wird, wobei im mittleren Bereich des Behälters 30 die Rotationsachse der Zentrifuge 32 liegt. Aufgrund der Zentrifugalkraft werden nun die Sedimente 23 an den äußeren Bereich des Behälters 30 gedrückt, während die Glashohlkugeln sich aufgrund ihrer geringeren Massedichte im Bereich der Rotationsachse sammeln.
Bezugszeichenliste

10: Sandwichbauteil
11: obere/erste Decklage
12: untere/zweite Decklage
13: Kernschicht
20: Materialmischung
21: Stützstoff
22: Füllstoff
23: Sedimente
30: Behälter
31: Temperiereinrichtung
32: Zentrifuge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021105792 [0012]
US 2005/0124708 A1 [0013]
WO 2009/144675 A1 [0014]
WO 2006/005119 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (10), welches eine erste Decklage (11) aus einem Decklagenmaterial hat, eine zweite Decklage (12) aus einem Decklagenmaterial hat und eine dazwischenliegende und aus einem Kernschichtmaterial gebildete Kernschicht (13) hat, die im Mittel eine geringere Massedichte als das Decklagenmaterial der ersten Decklage (11) und der zweiten Decklage (12) hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer gießfähigen Materialmischung (20) in einem Hohlraum eines Werkzeuges zur Herstellung der Kernschicht (13), wobei die Materialmischung (20) einen Stützstoff (21) aus einem Vollmaterial und mindestens einen in den Stützstoff (21) eingebetteten zusätzlichen Füllstoff (22) umfasst und der mindestens eine zusätzliche Füllstoff (22) eine von dem Stützstoff (21) abweichende physikalische Massedichte hat; - Durchführen eines Separationsprozesses zur Herstellung der Kernschicht (13), bei dem eine teilweise Separation des Stützstoffes (21) und des mindestens einen Füllstoffes (22) der Materialmischung (20) erfolgt, bis ein gewünschter Separationsgrad erreicht wurde; - Durchführen eines Aushärteprozesses nach dem Separationsprozess, bei dem der Stützstoff (21) ausgehärtet wird und so den mindestens einen Füllstoff (22) integral in einen Festkörper einbettet, um die Kernschicht (13) herzustellen; - Entformen der hergestellten Kernschicht (13) aus dem Hohlraum des Werkzeuges; und - Herstellen des Sandwichbauteils (10) unter Verwendung der hergestellten Kernschicht (13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens der gießfähigen Materialmischung (20) umfasst: - Bereitstellen des gießfähigen Stützstoffes (21) aus dem Vollmaterial; - Bereitstellen des mindestens einen zusätzlichen Füllstoffes (22); - Erstellen der Materialmischung (20) aus dem bereitgestellten Stützstoff (21) und dem mindestens einen bereitgestellten zusätzlichen Füllstoffes (22) durch Mischen der bereitgestellten Stoffe.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmischung (20) durch Mischen der bereitgestellten Stoffe in einem separaten Behältnis erstellt wird und anschließend die erstellte und gießfähige Materialmischung (20) in den Hohlraum des Werkzeuges eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Stützstoff (21) und der mindestens eine bereitgestellte Füllstoff (22) in den Hohlraum des Werkzeuges eingefüllt werden und die Materialmischung (20) durch Mischen der bereitgestellten Stoffe in dem Werkzeug erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Separationsprozesses eine Kraft auf die Materialmischung (20) wirkt, um die Separation des Stützstoffes (21) und des mindestens einen Füllstoffes (22) der Materialmischung (20) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Separationsprozesses die Schwerkraft auf die Materialmischung (20) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Separationsprozesses eine Zentrifugalkraft auf die Materialmischung (20) ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Separationsprozesses in die Materialmischung (20) zumindest teilweise ein Temperatureintrag bewirkt wird, um die Separation des Stützstoffes (21) und des mindestens einen Füllstoffes (22) der Materialmischung (20) zu beeinflussen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens einen Füllstoff (22) eine Vielzahl von Hohlkugeln, insbesondere Glasholkugeln, bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Mischen der Materialmischung (20) die Hohlkugeln zumindest teilweise zerstört werden.