DE2255454C3 - Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper - Google Patents

Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper

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DE2255454C3 DE2255454A DE2255454A DE2255454C3 DE 2255454 C3 DE2255454 C3 DE 2255454C3 DE 2255454 A DE2255454 A DE 2255454A DE 2255454 A DE2255454 A DE 2255454A DE 2255454 C3 DE2255454 C3 DE 2255454C3
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Description

30
Die Erfindung richtet sich auf einen hochbeanspruchbaren Sandwichkörper, bestehend aus einer Deckschicht, deren Rückseite mit einer Kleberschicht verschen ist, in der Flockfasert verankert sind, wobei die Flockfasern in einen sich unterhalb der Deckschicht ausdehnenden, in-situ-geschäum," η Schaumstoffkern hineinreichen.
Derartige Sandwichkörper, auch Verbundkörper genannt, sind bekannt und finden z. 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 Randzoive des Schaumstoffkerns. Um dieses Ziel zu erreichen, bediente man sich Fasern gleicher Länge. Dadurch entstand zwangsläufig eine stark τ> 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, natür- to liehe oder metallische Fasern bekannt. Insbesondere auch Gläsfasern eignen sich zürn Erzielen höher Festigkeiten und besonders guter Verankerung der Deckschichten im Kern. Als Kleber für die Kleberschicht eignen sich z. B. solche auf Basis Epoxidharz, μ Polyurethan, Cyanat, die durch einen WärmestoB 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 Sandwichkörper zu niedrig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Sandwichkörper der eingangs genannten Art, L ei 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 Aufdocken 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 Streub^reich vorhanden ist, wirkt sich eher günstig als nachteilig aus, weil die:; 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 auj 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 Rand.zone.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bestehen — zum Erzielen einer hohen Dichte in der Randzone des Schaumstoffkerns — die F lockfasern 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 Randzone zum Kernirinern hin vorhanden ist. Als Flockfasern haben sich solche im Längenbereich von 2 bis 15 mm, aber in speziellen Fällen auch darüber, bis 20 mm und mehr, als vorteilhaft erwiesen.
Die aufgetragene Gesamtmenge an Flockfasern variiert in der Größenordnung von 30 bis 1200 g/m2, kann aber in kritischen Fällen auch weit darüber hinaus, beispielsweise 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 zur 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 Ausführungsbeispiele 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 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 Technik als Vergleichsbeispiel.
Fig. 5 die Dichteverteilung üb;r die Dicke eines Schaumstoffkerns mit einer Randzonenarmierung auj gleichlangen Flockfasern gemäß Stand der Technik,
Fig. 6 die Dichteverteilung über die Dicke eines Schaumstoffkerns eine.; erfindungsgemäßen Sandwichkörpers mit einer Randzonenarmierung aus Flockfasern zweier unterschiedlicher Längen.
Fig. 7 die Dichteverteilung über die Dicke eines Schaumstoffkerns eines erfindungsgemäßen Sandwichkörpers 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,
F i g. 9 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der spez. Dichte des Schaumstoffkerns von der Dicke des Sandwichkörpers und von der Fascrmenge pro Flächeneinheit bei der Verwendung von Polymidfasern,
In Fig. 1 befinden sich auf der Rückseite der Deckschichten II, 12 aus Aluminiumblech von 0,2 mm Dicke Kleberschicliten 13, 14 auf Basis Polyurethan. In die Kleberschicht 13 sind Polymidfasern 15a, 15t von 4 und 8 mm Länge mit einem Flächengewicht von je 100 g/m2 elektrostatisch eingeflockt Der Titer der 4 mm langen Flockfasern 15a beträgt 60 dtex bei einer Auftragsmenge von 150 g/m2, derjenige der Su\m langen Flockfasern 156110 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 Kleberschicht 14 sind
ίο 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 04 g/cm3 und im überstehenden Bereich der Fasern 156 0,2 g/cm3. Die spez. Dichte in der Randzone 17 beträgt im Bereich der 4 mm langen Fasern 15a 0,6 g/cm3, im überstehenden Bereich der 8 mm langen Fasern 15Z) 0,3 g/cm3, im überstehenden Bereich der 12 mm langen Fasern »ic 0,1 g/cm3, und im faserfreien Inneren 18 des Kerns 19 beträgt sie 0,055 g/cm3 bei einer mittleren Dichte des Schaumstoffkerns von 0,12 g/cm3.
In F i g. 2 ist der Sandwichkörper mit den Deckschichten 2i, 22 und den Kleberschichten 23, 24 sowie den Flockfasern 25a, 250, 25c in gleicher Weise mit Randzonen 26,27 und einem Kern 29 aufgebaut, dessen
JO Inneres 28 durch ein voluminöses Fasergelege 30 aus einem Endlosfaden armiert ist. Dessen einzelne Schlingen reichen in die mit Flockfasern 25a, 25b, 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 Fasergeleges 30 beträgt sie 0,07 g/cm3, bei einer mittleren Dichte des Schaumstoffkerns von 0,15 g/cm3.
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 Randzone 36 derjenigen des Sandwichkörpers nach Fig. 1. In der Zone B hingegen beträgt das Flächengewicht der gesamten Beflockung 300 g/m2. Das
so heißt, es wurden Flockfasern 35a, 356 gleicher Länge wie in den Zonen A1 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
5ϊ Zoiic 3 relativ hoch, nämlich in der Lage der kürzesten Fasern 35a 0,75 g/cm3, im überstehenden Bereich der Fasern 356 0,4 g/cm' und im überstehenden Bereich der Fasern 35c0,2 g/cm3. Das Innere 38 des Kerns 39 besitzt durchweg eine spez. Dichte von 0,055 g/cmJ.
ho Die in F i g. 4 Hs 7 dargestellten verschiedenartigen Polyurethanschaumstoffkerne besitzen alle eine Breite von 60 mm und eine mittlere spezifische Dichte von 0,12 g/cm3. Der Schaumstoffkern gemäß F i g. 4 ist ohne l'aserarmierung ausgeführt, und er besitzt eine homoge-
ne Dichte von 0,12 g/cm3. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 200 '.p/cm2.
Der Schaumstoffkern gemäß Fig. 5 zeigt eine Beflockung mit gleichungen Polyamidfasern von 4 mm
Länge und 60 dtex 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 Elai.i/itätsmodul des Kerns beträgt 455 kp/cm2.
In Fig.6 besitzt der Schaumstoffkern eine Hockarmierung mit Fasern zweier unterschiedlicher Längen. Im Bereich der Fasern mit der Länge von 4 mm, 60 dtex 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/cm7 dazwischen geflockten 8 mm langen Fasern von 100 dtex. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 620 kp/cm2.
Beim Schaumstuffkern nach F i g. 7 ist die spe/. Dichte in der Rand/.one 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/cm', im überstehenden Bereich der 8-mm-Fasern 0,3 g/cm' und im ubcrSicncfiuCn CcrciCn ucp 12-riu'rt-r a%ern G,i g/cm'. Die Dichte des faserfreien Kerninneren beträgt 0.055 g/cm3. Der Elastizitätsmodul des Kerns beträgt 110 kp/cm2.
Das Diagramm gemäß F i g. 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 Stcifigkeitsei 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 be
ί den vielen Einflußfaktoren die Kleb'.rmenge rcichlicl 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 Eindringtiefe der Fasern voi
in Einfluß. Das Ermittlungsverfahren gemäß Diagramm is deshalb mit breitem Toleranzbercich durchführbar Mnc erhebt keinen Anspruch auf absolute GcriaiMjjki.ii.
In F ι g. 9 erhöht sich die erforderliche mi'.tlerc spez Dichte des Schaumstoffkerns mit steigendem Eiastizi
i) tätsmodul der Deckschicht und deren Di'jkc. D«1 dargestellte Diagramm gilt für Polyurethan-Schaum stoff als Kernmaterial und Bcflockung aus Polyamidfasern. Die Kurven des Diagramms gelten für folgende Elastizitätsmodule:
I : E = 2.1 · 10* kp/em-'(Stahl)
Il : E= 075 · ΙΟ* kp/cnVO.eichtmetall)
III : E= υ. 15 ■ 10" kp/cm2
(Glasfaserverstärker Kunststoff)
r. IV : E= 0.025 ■ 10*kp/cm-
(thermoplastischer Kunststoff)
Hierzu 3 Blatt Zoic hiiu

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, gekennzeichnet 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 vorhanden sind.
4. Sandwichkörper nach Anspruch 1, 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 voiuminösen Fasergebilde (30) armiert ist.
DE2255454A 1972-11-11 1972-11-11 Hochbeanspruchbarer Sandwichkörper Expired DE2255454C3 (de)

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