DE2255454B2 - Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper - Google Patents
Hochbeanspruchbarer SandwichkörperInfo
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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
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
r> IV: E= 0,025 ■ 10" kp/cm2
(thermoplastischer Kunststoff)
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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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