DE19926417A1 - Sandwich structure has top and bottom covering layers, intermediate core and matrix - Google Patents
Sandwich structure has top and bottom covering layers, intermediate core and matrixInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Sandwichbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sandwich component according to the preamble of claim 1.
Bekannte Sandwichbauteile dieser Art, bei denen die Deckschichten zumeist aus Faserverbundwerkstoff und der von diesen getrennt vorgefertigte Innenkern aus einer Hohlkörperstruktur, etwa einem Wabenkern, einem Verbund aus neben- oder übereinanderliegenden Metall- oder Kunst stoffröhrchen oder aus Schaumstoff besteht, erfordern einen relativ großen Herstellungsaufwand, zum einen, um eine ausreichend schubfeste Anbin dung der Deckschichten am Innenkern zu gewährleisten, und zum anderen, um beim Aushärten des Deckschichtlaminats unter Druck- und Wärme einwirkung zu verhindern, daß sich die Waben- oder Röhrchenstruktur des Innenkerns auf den Deckschicht-Außenflächen abzeichnet. Hinzu kommt, daß die Materialkosten für die einzelnen Sandwich-Bestandteile beträchtlich sind, so daß derartige Bauteile wegen ihrer, bezogen auf das Eigengewicht, hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zwar in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet, für Anwendungsfälle, in denen neben einer Gewichtsersparnis auch Kostengründe eine wesentliche Rolle spielen, hingegen nur in beschränktem Umfang geeignet sind.Known sandwich components of this type, in which the cover layers mostly made of fiber composite material and the one prefabricated separately from these Inner core made of a hollow body structure, such as a honeycomb core Composite of metal or art lying side by side or one above the other fabric tubes or made of foam require a relatively large one Manufacturing effort, on the one hand, to a sufficiently shear-resistant tether to ensure the covering layers on the inner core, and secondly, in order to cure the top layer laminate under pressure and heat to prevent the honeycomb or tube structure of the Inner core on the outer surface of the outer layer. Come in addition, that the material cost for each sandwich component is substantial are, so that such components because of their, based on their own weight, high specific strength and rigidity in the air and Widely used in space, for use cases where in addition to a Weight savings also play an important role, however, are only suitable to a limited extent.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sandwichbauteil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es kostengünstig und dennoch mit hoher Bauteil qualität herzustellen ist. The object of the invention is a sandwich component of the aforementioned Type in such a way that it is inexpensive and yet with a high component to manufacture quality.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge kennzeichnete Sandwichbauteil gelöst.This object is achieved by the ge in claim 1 marked sandwich component solved.
Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichbauteil enthält der Innenkern zum großen Teil pflanzliche Bestandteile, die als nachwachsender Rohstoff res sourcenschonend, energiesparend und preiswert produzierbar sind, und besitzt dennoch aufgrund der Faser- und Hohlraumstruktur der Pflanzenteile in Verbindung mit der diese einschließenden Kernmatrix eine hohe Laststabilität und ein geringes Raumgewicht, mit dem zusätzlichen Effekt, daß sich das so beschaffene Kernmaterial im unausgehärteten Zustand der Kernmatrix aufgrund der natürlichen Eigenelastizität der hohlkörperförmigen Pflanzenteile beim Anlaminieren der Deckschichten unter Druckwirkung gleichförmig an die Deckschicht-Innenflächen anpaßt, wodurch zum einen eine sichere Bindung zwischen Innenkern und Deckschichten erreicht und andererseits verhindert wird, daß sich die Innenkernstruktur durch das Deckschichtlaminat durchdrückt und dadurch die Oberflächenqualität des Sandwichbauteils beeinträchtigt. Die Erfindung entspricht somit in vollem Umfang der Forderung nach einer gewichtsmäßig leichten, qualitativ hochwertigen und kostengünstig herstellbaren Sandwichstruktur.In the sandwich component according to the invention, the inner core contains large part of herbal ingredients, which as a renewable raw material res are resource-saving, energy-saving and inexpensive to produce, and nevertheless has due to the fiber and cavity structure of the plant parts in connection with the core matrix including this a high Load stability and a low density, with the additional effect, that the core material thus obtained is in the uncured state of the Core matrix due to the natural inherent elasticity of the hollow body Plant parts when laminating the top layers under pressure adapts uniformly to the inner surface of the cover layer, which means that achieved a secure bond between the inner core and outer layers and on the other hand, it is prevented that the inner core structure by the Top layer laminate pressed through and thereby the surface quality of the Sandwich component impaired. The invention thus corresponds in full Scope of demand for a lightweight, qualitative high-quality and inexpensive to manufacture sandwich structure.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Faser pflanzenteile nach Anspruch 2 das Abfallprodukt einer Nutzpflanze, und zwar gemäß Anspruch 3 vorzugsweise Hanf-Schäben, wodurch eine weitere wesentliche Kostenersparnis erzielt wird.In a particularly preferred embodiment of the invention, the fibers are plant parts according to claim 2, the waste product of a useful plant, and preferably according to claim 3 hemp shives, whereby another substantial cost savings are achieved.
Nach Anspruch 4 sind die Faserpflanzenteile vor dem Einbringen der Kern matrix zweckmäßigerweise getrocknet, um eine innige Einbettung der Pflan zenfasern in der Matrix sicherzustellen, ohne daß der Tränk- und Aushärt prozeß des Kernmaterials durch den Feuchtigkeitsgehalt der pflanzlichen Kernbestandteile gestört wird. According to claim 4, the fiber plant parts are before the introduction of the core matrix expediently dried in order to embed the plant intimately ensure zen fibers in the matrix without the soaking and curing Process of the core material through the moisture content of the vegetable Core components is disrupted.
Im Hinblick auf eine fertigungsmäßige Vereinfachung und eine lastgerechte Faserorientierung sind die Faserpflanzenteile im Innenkern gemäß Anspruch 5 vorzugsweise mit einer zu den Deckschichten im wesentlichen parallelen Schichtung, und zwar innerhalb der einzelnen Schichten regellos, angeordnet.With regard to a simplification of production and a load-oriented Fiber orientation is the fiber plant parts in the inner core according to claim 5 preferably with a substantially parallel to the cover layers Stratification, randomly within the individual layers, arranged.
Um das Leichtbaupotential der Sandwichstruktur weiter zu verbessern, besteht die Matrix nach Anspruch 6 vorzugsweise aus geschäumtem Kunststoff.In order to further improve the lightweight construction potential of the sandwich structure, the matrix according to claim 6 preferably consists of foamed Plastic.
Werden die Deckschichten - wie üblich - ebenfalls aus Kunststoff, und im Rahmen der Erfindung zweckmäßigerweise aus einem naturfaserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt, so sind der Kunststoff für die Deckschichten und das Matrixsystem für den Innenkern nach Anspruch 7 vorzugsweise materialgleich ausgebildet und gemeinsam gehärtet, um so auf herstellungsmäßig einfache Weise und ohne Zwischenlage einer eigenen Klebstoffschicht eine homogene, hochgradig schubfeste Bindung zwischen Deckschichten und Kernmaterial zu erzielen.Are the cover layers - as usual - also made of plastic, and in Within the scope of the invention expediently from a natural fiber reinforced Composite material, so are the plastic for the cover layers and the matrix system for the inner core according to claim 7 is preferred trained in the same material and hardened together, so on easy to manufacture and without the interposition of your own Adhesive layer a homogeneous, highly shear-resistant bond between To achieve top layers and core material.
Aus Fertigungsgründen empfiehlt es sich, das Kernmaterial gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise in einer die Kerndicke des fertigen Bauteils über steigenden Schichtdicke einzubringen und im ungehärteten Zustand der Kernmatrix gemeinsam mit den Deckschichten unter elastischer Verformung der Faserpflanzenteile auf die endgültige Bauteildicke zu verpressen und auszuhärten.For manufacturing reasons, it is recommended to use the core material according to claim 8 expediently in a the core thickness of the finished component bring increasing layer thickness and in the uncured state of Core matrix together with the cover layers under elastic deformation of the fiber plant parts to the final component thickness and harden.
Nach Anspruch 9 ist die Sandwichstruktur vorzugsweise als Kofferraum boden eines Kraftfahrzeugs ausgebildet und mit zumindest einer in die Deckschichten eingekerbten Sollbruchstelle versehen, so daß sich der Sandwichboden bei einem Heckaufprall des Kraftfahrzeugs auffaltet und keinen unerwünschten Versteifungseffekt ausübt.According to claim 9, the sandwich structure is preferably a trunk floor of a motor vehicle and with at least one in the Cover layers notched predetermined breaking point, so that the Sandwich bottom unfolds in a rear impact of the motor vehicle and does not have an undesirable stiffening effect.
Nach Anspruch 10 schließlich ist zumindest eine der Deckschichten auf der Außenseite zweckmäßigerweise mit einem auf diese im ungehärteten Zustand aufgebrachten und gemeinsam mit dieser verpreßten Kaschierungs belag versehen. Hierdurch wird eine fertigungstechnisch sehr einfache Direktkaschierung des Sandwichbauteils, vor allem bei Verwendung als Innenaustattungsteil, erzielt.Finally, according to claim 10, at least one of the cover layers is on the Outside suitably with one on this in the uncured Condition applied and together with this pressed lamination covering. This makes production technology very simple Direct lamination of the sandwich component, especially when used as Interior part, achieved.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver bindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in stark schemati sierter Darstellung:The invention is now based on an embodiment in Ver binding explained in more detail with the drawing. It shows in highly schematic presentation:
Fig. 1 einen Teilschnitt eines Sandwichbauteils nach der Er findung; Figure 1 is a partial section of a sandwich component according to the invention.
Fig. 2a-d die schrittweise Herstellung des Sandwichbauteils nach Fig. 1; und Fig. Progressively securing 2a-d of the sandwich component according to Fig. 1; and
Fig. 3 das Sandwichbauteil nach Fig. 1 in Form eines Koffer raumbodens für ein Kraftfahrzeug. Fig. 3, the sandwich component of FIG. 1 in the form of a trunk floor for a motor vehicle.
Das in den Figur gezeigte Sandwichbauteil 2 enthält als Hauptbestandteile eine obere und eine untere Deckschicht 4.1 und 4.2 und einen dazwischen liegenden Innenkern 6. Die Deckschichten 4 bestehen aus einem Faserver bundlaminat mit einer Kunststoff-, z. B. Epoxid-, Polyester- oder Polyurethan- Matrix und einer Faserstruktur aus Natur-, z. B. Flachs- oder Hanffasern mit einer sich kreuzenden, quasi-isotropen Faserorientierung. Der Innenkern 6 besteht aus röhrchen- oder unregelmäßig quaderförmigen Faserpflanzen teilen mit Hohlraumeinschlüssen in Form von Hanf-Schäben 8, die in ein zu den Deckschichten 4 materialgleiches Matrixsystem 10 eingebettet und als unfraktioniertes Abfallprodukt der Hanfverarbeitung, d. h. ohne vorherige Klassifizierung nach Form und Größe, in einer relativ regellosen, zu den Deckschichten 4 im wesentlichen parallelen Schichtung im Sandwichkern 6 angeordnet sind. Das im Innenkern 6 enthaltene Schäbenmaterial kann jedoch auch vorgesiebt und fraktioniert sein, um eine gleichbleibendere Qualität sicherzustellen und die Kerneigenschaften optimal an die Anforderungen anpassen zu können.The sandwich component 2 shown in the figures contains, as main components, an upper and a lower cover layer 4.1 and 4.2 and an inner core 6 lying between them. The cover layers 4 consist of a fiber composite laminate with a plastic, for. B. epoxy, polyester or polyurethane matrix and a fiber structure made of natural, z. B. flax or hemp fibers with a crossing, quasi-isotropic fiber orientation. The inner core 6 consists of tubular or irregularly cuboidal fiber plants share with cavity inclusions in the form of hemp shives 8 , which are embedded in a matrix system 10 of the same material as the cover layers 4 and as an unfractionated waste product of hemp processing, ie without prior classification according to shape and size a relatively random, essentially parallel to the cover layers 4 layering in the sandwich core 6 are arranged. However, the shank material contained in the inner core 6 can also be pre-screened and fractionated in order to ensure a more consistent quality and to be able to optimally adapt the core properties to the requirements.
Die Herstellung des Sandwichbauteils 2 erfolgt mit Hilfe eines zweiteiligen, beheizbaren Formwerkzeugs 12, in welches zunächst das mit der Harzmatrix getränkte, untere Deckschichtlaminat 4.1 eingebracht wird (Fig. 2a). Auf dieses werden dann die zuvor getrockneten Hanf-Schäben 8 in einer die Kerndicke des fertigen Bauteils übersteigenden Schichtdicke eingefüllt (Fig. 2b) und mit dem Matrixmaterial 10 gleichförmig durchtränkt (Fig. 2c), und anschließend wird die obere Deckschicht 4.2 im naßlaminierten Zustand aufgelegt und das Formwerkzeug 12 geschlossen (Fig. 2d). Durch einen gezielten Harzüberschuß in den Deckschichten 4 kann ggf auch auf eine Imprägnierung der Hanf-Schäben 8 (Fig. 2c) verzichtet werden, was eine schnellere Verarbeitung zur Folge hat.The sandwich component 2 is produced with the aid of a two-part, heatable molding tool 12 , into which the lower cover layer laminate 4.1 impregnated with the resin matrix is first introduced ( FIG. 2a). The previously dried hemp shives 8 are then filled into this in a layer thickness exceeding the core thickness of the finished component ( FIG. 2b) and soaked with the matrix material 10 ( FIG. 2c), and the upper cover layer 4.2 is then placed in the wet-laminated state and the mold 12 closed ( Fig. 2d). A targeted excess of resin in the cover layers 4 may also make it possible to dispense with impregnation of the hemp shives 8 ( FIG. 2c), which results in faster processing.
Durch die Druck- und Wärmeeinwirkung des Formwerkzeugs 12 werden die Deckschichten 4 und das Kernmaterial 6 dann unter Kompression der Hanf- Schäben 8 auf die endgültige Bauteildicke verpreßt und innerhalb der Sandwichkomponenten eine homogene Verteilung des Matrixsystems vor allem auch im Grenzflächenbereich zwischen Innenkern 6 und Deck schichten 4 erzielt. Zur Verringerung des Raumgewichts kann dem Kernmaterial 6 ein Treibmittel beigegeben werden, durch das die Kernmatrix 10 während des Preßformprozesses aufgeschäumt wird. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials ist das Sandwichbauteil 2 fertiggestellt und kann entformt werden. Due to the pressure and heat of the mold 12, the covering layers 4 and the core material 6 then compression of the hemp are pressed shives 8 to the final component thickness and layers within the sandwich components, a homogeneous distribution of the matrix system, above all in the interface region between the inner core 6 and top 4 scored. To reduce the bulk density, a blowing agent can be added to the core material 6 , through which the core matrix 10 is foamed during the press molding process. After the matrix material has hardened, the sandwich component 2 is finished and can be removed from the mold.
Die Kerndichte des so hergestellten Sandwichbauteils 2 liegt zwischen 300 und 700 kg/m3 und ist je nach Festigkeitsanforderungen variabel einstellbar.The core density of the sandwich component 2 thus produced is between 300 and 700 kg / m 3 and can be variably adjusted depending on the strength requirements.
Um eine gleichzeitige Kaschierung der Deckschichten 4 mit Teppich, Vlies, Folie, Holzfurnier oder dgl. zu erhalten, können diese in die Werkzeugober- und/oder -unterseite miteingelegt und mitverpreßt werden.In order to obtain a simultaneous lamination of the cover layers 4 with carpet, fleece, foil, wood veneer or the like, these can be placed in the top and / or bottom of the tool and pressed together.
Fig. 3 zeigt ein Sandwichbauteil 2 in Form eines Kofferraumbodens für ein Kraftfahrzeug. Um zu verhindern, daß der Kofferraumboden bei einem Heckaufprall einen unerwünschten Versteifungseffekt ausübt, ist die untere Deckschicht 4.1 mit einer quer verlaufenden Einkerbung 14 versehen, so daß der Kofferraumboden eine bei einer Heckverformung des Fahrzeugs wirksame Sollfaltstelle besitzt. Im übrigen ist die Bau- und Herstellungsweise des Sandwichbauteils 2 gemäß Fig. 3 die gleiche wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Fig. 3 shows a sandwich component 2 in the form of a trunk floor for a motor vehicle. In order to prevent the trunk floor from exerting an undesirable stiffening effect in the event of a rear-end collision, the lower cover layer 4.1 is provided with a transverse notch 14 , so that the trunk floor has a predetermined folding point which is effective when the vehicle is deformed at the rear. Otherwise, the construction and manufacturing method of the sandwich component 2 according to FIG. 3 is the same as in the exemplary embodiment described above.
Die Erfindung ist nicht nur auf einen Kofferraumboden, sondern auf Fahr zeugausstattungsteile jeder Art, aber auch für Möbel, z. B. Schrankwände oder Tischplatten, sowie auf dem Bausektor, etwa für Formschalelemente, anwendbar.The invention is not only on a trunk floor, but on driving all kinds of equipment, but also for furniture, e.g. B. wall units or table tops, as well as in the construction sector, for example for formwork elements, applicable.
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