DE2255454B2 - Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper - Google Patents

Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper

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Description

JO
Die Erfindung richtet sich auf einen hochbeanspruchbaren Sandwichkörper, bestehend aus einer Deckschicht, deren Rückseite mit einer Kleberschicht versehen ist, in der Flockfasern verankert sind, wobei die Flockfasern in einen sich unterhalb der Deckschicht ausdehnenden, in-situ-geschäumten Schaumstoffkern hineinreichen.
Derartige Sandwichkörper, auch Verbundkörper genannt, sind bekannt und finden 7. B. Verwendung als Karosserieteile und Crash-pads im Automobil- und Waggonbau, im Flugzeugbau, im Hochbau als Wände usw.
Die Deckschichten bestehen aus dünnen Metallfolien oder aus Kunststoffolien. Hierbei können auch aushärtende Kunststoffe wie Polyester und Epoxidharze in eine Form als Vorstrich eingebracht und ausgehärtet werden, um die Deckschicht zu bilden.
Bei ihnen wird die Innenseite der Deckschichten mit einer Kleberschicht versehen, und in diese Kleberschicht werden Flockfasern eingeflockt. Diese Beflokkung bewirkt eine gute Verankerung der Deckschicht im Schaumstoffkern und beabsichtigt zum anderen eine homogene Randzone des Schaumstoffkerns. Um dieses Ziel zu erreichen, bediente man sich Fasern gleicher Länge. Dadurch entstand zwangsläufig eine stark ausgeprägte Randzone höherer Dichte, an die unmittelbar das Kerninnere mit niedrigerer Dichte anschloß. Die Beflockung erfolgte mechanisch oder vorzugsweise elektrostatisch nach üblichen Verfahren. Als Flockfasern sind synthetische, organische, anorganische, natürliehe oder metallische Fasern bekannt. Insbesondere auch Glasfasern eignen sich zum Erzielen hoher Festigkeiten und besonders guter Verankerung der Deckschichten im Kern. Als Kleber für die Kleberschicht eignen sich z. B. solche auf Basis Epoxidharz, f>5 Polyurethan, Cyanat, die durch einen Wärmestoß von etwa 120 bis 140°C zur schlagartigen Endreaktion fähig sind.
Während bei der Konstruktion mit einer schichtartigen Kombination von Faservliesen verschiedenen Flächengewichtes durch den in der Randzone erzeugten, angenähert kontinuierlichen Dichteabfall ein hoher Elastizitätsmodul vorhanden ist, liegt dieser bei der Verwendung von Flockfasern gleicher Länge als Faserarmierung für hochbeanspruchbare Sandwicnkörperzu niedrig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Sandwichkörper der eingangs genannten Art, bei dessen Fertigung beim Ausschäumen geringe Drücke erforderlich sind, so auszugestalten, daß die Randzone des Schaumstoffkerns einen angenähert kontinuierlichen Dichteabfall zum Zwecke des Erzielens eines höheren Elastizitätsmoduls des Sandwichkörpers aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Flockfasern mindestens zweier unterschiedlicher Längen in angenähert gleichmäßiger Verteilung. Dadurch wird erreicht, daß in der Randzone des Schaumstoffkerns ein angenähert kontinuierlicher Dichteabfall zum Kerninneren hin vorhanden ist.
Das Aufflocken der Fasern kann in getrennten Arbeitsgängen je Faserlänge erfolgen; es kann aber auch ein Gemisch aus Fasern verschiedener Längen in einem Arbeitsgang aufgeflockt werden. Daß die Fasern beim vorangehenden Schneidevorgang nicht exakt auf die gewünschte Länge geschnitten werden können, sondern ein Streubereich vorhanden ist, wirkt sich eher günstig als nachteilig aus, weil dies den erwünschten kontinuierlichen Dichteabfall in der Randzone begünstigt. Es lassen sich auch Faserabmischungen von Fasern mit sehr geringen Längenabstufungen aufflocken, was allerdings eine gute Homogenität der Abmischung voraussetzt, damit eine homogene Verteilung der verschiedenen Faserlängen beim Flockvorgang stattfindet.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Flockfasern unterschiedlicher Länge unterschiedlichen Durchmesser besitzen. Dadurch läßt sich eine besonders gute Verstärkung erzielen, wenn mit steigender Faserlänge auch der Faserdurchmesser, d. h. der Titer, zunimmt. Denn beim Ausschäumprozeß treten Kräfte auf, die je nach Strömungsrichtung die Flockfasern einer Biegebeanspruchung unterwerfen können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind örtlich Flockfasern von mehr unterschiedlichen Längen als im übrigen Bereich vorhanden.
Besteht beispielsweise die normale Beflockung der Deckschichten aus Flockfasern von 4 mm und 8 mm Länge, so kann örtlich eine dritte Länge von beispielsweise 12 mm vorhanden sein. Durch diese Varianten erreicht man verschiedenartigen Dichteabfall und unterschiedliche Dicke der Randzone.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bestehen — zum Erzielen einer hohen Dichte in der Randzone des Schaumstoffkerns — die Flockfasern mindestens einer Länge aus Kräuselfasern. Dabei können bereits vorgekräuselte Fasern verwendet werden oder auch solche, die nach dem Aufflocken sich durch Wärmeeinwirkung von selbst kräuseln. Die Verwendung des zuletzt genannten Fasertyps bereitet bei der Beflockung weniger Schwierigkeiten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Innere des Schaumstoffkerns mit einem voluminösen Fasergebilde armiert. Solche Armierungen sind an sich bereits bekannt. Im Zusammenhang mit Flockfasern unterschiedlicher Länge in der Randzone ergibt sich
jedoch der Vorteil, daß die Faserschlingen des Fasergebildes bis zwischen die Flockfasern eindringen und somit ein besonders guter Übergang von der Rundzone zum Kerninnern hin vorhanden ist. Als Flockfasern haben sich solche im Längenb;reich von 2 bis 15 mm, aber in speziellen Fällen tuch darüber, bis 20 mm und mehr, als vorteilhaft erwiesen.
Die aufgetragene Gesamtmenge an Flockfasern variiert in der Größenordnung von 30 bis 1200 g/.-n2, kann aber in kritischen Fällen auch weit darüber hinaus, beispielswehe bis 1500 g/m2, gesteigert werden. Bei Verwendung von organischen Fasern, z. B. aus Polyamid, wird die Gesamtfasermenge normalerweise bei maximal 700 g/m2, bei Verwendung von metallischen Fasern bei maximal 1200 g/m2 liegen. Die Beflockung kann vollautomatisch durchgeführt werden. Durch die damit verbundene Gleichmäßigkeit resultiert, daß die Bruchspannung der dünnen Sandwichdeckschicht bis zui Materialfestigkeit hochgezüchtet werden kann, wobei die Deckschichtdicke aus der Steifigkeitsberechnung in Abhängigkeit von der konstruktiv möglichen Kerndicke gefolgert wird. Angestrebt wird dabei eine minimale Dichte des Inneren des Stützkerns, um der Forderung nach Leichtbau zu entsprechen. Die Dicke der Deckschichten wird sich normalerweise in den Größen von 0,1 bis ca. 2 mm bei Metall und bis 8 mm bei Kunststoff bewegen. Die aufzutragende Klebermenge ist ebenfalls auf die Länge der Fasern abzustimmen, damit diese eine gute Verankerung erfahren.
In einer Zeichnung sind verschiedene Ausführungs- M beispiele des erfindungsgemäßen Sandwichkörpers sowie Vergleichsbeispiele gezeigt und nachstehend näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen ausschnittsweisen Querschnitt aus einem Sandwichkörper mit unterschiedlicher Beflockung in j? der Randzone des Schaumstoffkerns.
Fig. 2 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen Sandwichkörper mit einer zusätzlichen Kernarmierung,
F i g. 3 einen ausschnittsweisen Querschnitt aus einem Sandwichkörper an einer Krafteinleitungsstelle mit verstärkter Armierung der Randzone des Schaumstoffkerns,
Fig.4 die Dichteverteilung über die Dicke eines Schaumstoffkerns ohne Armierung, gemäß Stand der r> Technik als Vergleichsbeispiel,
F i g. 5 die Dichteverteilung über die Dicke eines Schaumstoffkerns mit einer Randzonenarmierung aus gleichlangen Flockfasern gemäß Stand der Technik,
F i g. 6 die Dichteverteilung über die Dicke eines 5» Schaumsiüffkerns eines erfindungsgemäßen Sanuwichkörpers mit einer Randzonenarmierung aus Flockfasern zweier unterschiedlicher Längen.
Fig. 7 die Dichteverteilung über die Dicke eines Schaumstoffkerns eines erfindungsgemäßen Sandwich- 5> körpers mit einer Randzonenarmierung aus Flockfasern dreier unterschiedlicher Längen,
Fig. 8 ein Diagramm zum Ermitteln der geeigneten Auftragsmenge an Kleber in Abhängigkeit von der Faserlänge und Faserdicke für Polymidfasern, m)
F i g. 9 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der spez. Dichte des Schaumstoffkerns von der Dicke des Sandwichkörpers und von der Fasermenge pro Flächeneinheit bei der Verwendung von Polymidfasern.
In Fig. 1 befinden sich auf der Rückseite der br> Deckschichten 11, 12 aus Aluminiumblech von 0,2 mm Dicke Kleberschichten 13, 14 auf Basis Polyurethan. In die Kleberschicht 13 sind Polymidfasern 15a, 156 von 4 und 8 mm Länge mit einem Flächengewicht von je 10Ü g/m2 elektrostatisch eingeflockt. Der Titer der 4 mm langen Flockfasern 15a beträgt 60 dtex bei einer Auftragsmenge von 150 g/m2, derjenige der 8 mm langen Flockfasern 156 110 dtex bei einer Auftragsmenge von 60 g/m2. Entsprechend F i g. 8 wurde in Hinblick auf die größte Flockfaserlänge von 8 mm die Kleberschicht 13 mit einer Auftragsmenge an Kleber von 150 g/m2 ausgeführt. In der Klebeschicht 14 sind Flockfasern 15a, 156, 15c von 4 mm Länge und 60 dtex, von 8 mm Länge und 110 dtex, und 12 mm Länge und 150 dtex verankert, wobei die Auftragsmenge der Fasern 15a 150 g/m2, der Fasern 15b 60 g/m2 und der Fasern 15c 25 g/m2 beträgt. Die Kleberschicht 14 weist eine Auftragsmenge von 200 g/m2 auf. Die spez. Dichte in der Randzone beträgt im Bereich der 4 mm langen Fasern 15a 0,5 g/cmJ und im überstehenden Bereich der Fasern 156 0,2 g/cm1. Die spez. Dichte in der Randzone 17 beträgt im Bereich der 4 mm langen Fasern 15a 0,6 g/cmJ, im überstehenden Bereich der 8 mm langen Fasern 15b 0,3 g/cm', im überstehenden Bereich der 12 mm langen Fasern 15c 0,1 g/cm1, und im faserfreien Inneren 18 des Kerns 19 beträgt sie 0,055 g/cmJ bei einer mittleren Dichte des Schaumstoffkerns von 0,12 g/cm!.
In F i g. 2 ist der Sandwichkörper mit den Deckschichten 21, 22 und den Kleberschichten 23, 24 sowie den Flockfasern 25a, 256, 25c in gleicher Weise mit Randzonen 26, 27 und einem Kern 29 aufgebaut, dessen Inneres 28 durch ein voluminöses Fasergelege 30 aus einem Endlosfaden armiert ist. Dessen einzelne Schlingen reichen in die mit Flockfasern 25a, 256, 25c armierten Randzonen 26, 27 hinein. Dadurch erhöht sich die spez. Dichte in den Randzonen 26, 27 in den einzelnen Faserlängenbereichen um ca. 10% gegenüber den Randzonen 16, 17 in Fig. 1. Im Kern 29, d.h. im Bereich des Fasergeieges 30 beträgt sie 0,07 g/cm1, bei einer mittleren Dichte des Schaumstoffkerns von 0,15 g/cm!.
In Fig. 3 ist eine Stütze 41 mittels Schrauben 42 an dem Sandwichkörper befestigt, wobei unterhalb einer Deckschicht 31 im Bereich der Schrauben 42 eine Verstärkungseinlage 43 vorgesehen ist. Die Kleberschicht 32 auf der Rückseite der Deckschicht 31 ist auch auf der Verstärkungseinlage 43 als Schicht 32a aufgetragen. In den Zonen A und C entspricht der Aufbau der Randzonc 36 derjenigen des Sandwichkörpers nach Fig. 1. In der Zone B hingegen beträgt das Flächengewicht der gesamten Beflockung 300 g/m2. Das heißt, es wurden Flockfasern 35a, 356 gleicher Länge wie in den Zonen A, B verwendet. Außerdem wurden noch längere Fasern 35c zusätzlich verwendet. Außerdem wurden die Fasern dichter aufgetragen. Dementsprechend ist die spez. Dichte in der Randzone 36 in der Zone ß relativ hoch, nämlich in der Lage der kürzesten Fasern 35a 0,75 g/cmJ, im überstehenden Bereich der Fasern 356 0,4 g/cmJ und im überstehenden Bereich der Fasern 35cO,2 g/cm1. Das Innere 38 des Kerns 39 besitzt durchweg eine spez. Dichte von 0,055 g/cmJ.
Die in F i g. 4 bis 7 dargestellten verschiedenartigen Polyurethanschaumstoffkerne besitzen alle eine Breite von 60 mm und eine mittlere spezifische Dichte von 0,12 g/cm1. Der Schaumstoffkern gemäß Fig. 4 ist ohne Faserarmierung ausgeführt, und er besitzt eine homogene Dichte von 0,12g/cmJ. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 200 kp/cm2.
Der Schaumstoffkern gemäß F i g. 5 zeigt eine Beflockung mit gleichlangen Polyamidfasern von 4 mm
Länge und 60 dtcx bei einer Flockmenge von 150 g/m2. Die spez. Dichte in der Randzone, d. h. im Bereich der Fasern, beträgt 0,4 g/cm3 während die Dichte des Kern nur 0,093 g/cm beträgt. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 455 kp/cm2.
In Fig. 6 besitzt der Schaumstoffkern eine Flockarmicrung mit Fasern zweier unterschiedlicher Längen. Im Bereich der Fasern mit der Länge von 4 mm, 60 dtcx und einer Flockmenge von 150 g/m2 beträgt hier die spez. Dichte 0,5 g/cm3, und zwar aufgrund der in einer Menge von 80 g/cm2 dazwischen geflocktcn 8 mm langen Fasern von 100 dtex. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 620 kp/cm2.
Beim Schaumstoffkern nach Fig. 7 ist die spez. Dichte in der Randzone durch eine dritte Faserbeflokkung von 25 g/m2 mit Fasern von 12 mm Länge und einem Titer von 150 dtex weiter gesteigert. Sie beträgt im Bereich der 4-mm-Fasern 0,6 g/cm3, im überstehenden Bereich der 8-mm-Fasern 0,3 g/cm3 und im überstehenden Bereich der 12-mm-Fasern 0,1 g/cm3. Die Dichte des faserfreien Kerninneren beträgt 0,055 g/cm3. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 110 kp/cm2.
Das Diagramm gemäß Fig.8 zum Ermitteln der erforderlichen Klebermenge in Abhängigkeit von der Faserlänge und vom Titer gilt im Prinzip für alle synthetischen Fasern, da sie etwa gleiche Steifigkeitsci genschaften besitzen. Für weichere oder härtere Fasen ist durch Versuche die Neigung bzw. der Verlauf de Kurve K empirisch zu ermitteln. Es versteht sich, daß bc den vielen Einflußfaktoren die Kichermenge reichlicl zu bemessen ist, um eine sichere Verankerung de Fasern zu gewährleisten. Dabei ist beispielsweise aucl die Zähigkeit des Klebers im Augenblick der Beflok kung hinsichtlich der Eindringtiefc der Fasern voi
ίο Einfluß. Das Ermittlungsverfahren gemäß Diagramm is deshalb mit breitem Toleranzbereich durchführbar um erhebt keinen Anspruch auf absolute Genauigkeit.
In Fig. 9 erhiht sich die erforderliche mittlere spez Dichte des Schaumstofikerns mit steigendem Elastizi tätsmodul der Deckschicht und deren Dicke. Da; dargestellte Diagramm gilt für Polyurethan-Schaum stoff als Kernmaterial und Beflockung aus Polyamidfa sern. Die Kurven des Diagramms gelten für folgende Elastizitätsmodule:
I : £=2,1 ■ 10" kp/cm2(Stahl)
11 : E= 0,75 ■ 10h kp/cm2(Leichtmetall)
III : E = 0,15 ■ 10* kp/cm2
(Glasfaserverstärker Kunststoff)
r> IV: E= 0,025 ■ 10" kp/cm2
(thermoplastischer Kunststoff)
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper, bestehend aus einer Deckschicht, deren Rückseite mit einer Kleberschicht versehen ist, in der Flockfasern verankert sind, wobei die Flockfasern in einen sich unterhalb der Deckschicht ausdehnenden, in-situ-geschäumten Schaumstoffkern hineinreichen, g e kennzeichnet durch Flockfasern (15, 25, 35) mindestens zweier unterschiedlicher Längen in angenähert gleichmäßiger Verteilung.
2. Sandwichkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flockfasern (15, 25, 35) unterschiedlicher Länge unterschiedlichen Durchmesserbesitzen.
3. Sandwichkörper nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß örtlich Flockfasern von mehr unterschiedlichen Längen als im übrigen Bereich voi handen sind.
4. Sandwichkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flockfasern (15, 25, 35) mindestens einer Länge aus Kräuselfasern bestehen.
5. Sandwichkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere (18, 28, 38) des Schaumstoffkerns (19, 29, 39) mit einem voluminösen Fasergebilde (30) armiert ist.
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