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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen
Gegenstands mit einer Sandwich-Struktur, wobei das Verfahren einen Schritt
umfasst, bei dem eine im Wesentlichen flache Baueinheit, die aus
einer Kernschicht aus einem thermoplastischen Schaum sowie aus wenigstens
einer Abdecklage aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff
besteht, zu einem dreidimensionalen Gegenstand verformt wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist auf dem Fachgebiet, beispielsweise aus
EP 0 264 495 , bekannt. Dieses
bekannte Verfahren umfasst das Schichten von zumindest einer Abdecklage
aus einem faserverstärkten
Kunststoff, beispielsweise eines Gewebes aus Aramidfasern, das mit
Polyetherimid imprägniert ist,
auf einen fertigen Schaumkern, etwa aus Polymethacrylimid. Bei einem
bevorzugten Verfahren wird eine Kombination von Ausgangsmaterialien
verwendet, von denen der synthetische Schaum die niedrigste Glasübergangstemperatur
besitzt. Um die Bindung zwischen einer Abdecklage und dem Schaumkern
zu verbessern, wird jene Fläche
des Schaums, die beschichtet werden soll, mit seichten Rillen versehen,
auf die eine Bindeschicht aus dem gleichen Kunststoff aufgebracht
wird, die als synthetische Matrix für die faserverstärkte Abdecklage
dient. Daraufhin wird die Baueinheit einem Verformungsschritt unterworfen,
beispielsweise durch ein direktes oder indirektes Erhitzen in einer
geeigneten Form.
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Im
Besonderen kann dieses Verfahren für die Herstellung von dreidimensionalen
Gegenständen verwendet
werden, die auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt Verwendung finden,
da eine vorteilhafte Kombination zwischen den Festigkeitseigenschaften und
einem relativ niedrigem Gewicht gegeben ist.
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Ein
Nachteil bei diesem bekannten Verfahren besteht jedoch darin, dass
infolge der ausgewählten
Ausgangsmaterialien für
den tatsächlichen
Verformungsschritt relativ hohe Temperaturen benötigt werden, wobei es sich
beispielsweise bei einer Abdecklage aus faserverstärktem Polyetherimid
um eine Vorheiztemperatur von mehr als 290 °C und um Formtemperaturen von
mehr als 130 °C
bis etwa 180 °C
handelt. Bei diesen hohen Temperaturen besteht die reelle Möglichkeit,
dass der Schaum wegen der geringeren Tg des Schaums zusammenfällt, wobei diese
Möglichkeit
durch den erforderlichen Verformungsdruck vergrößert wird. Das Verhältnis zwischen
dem Druck, der Zeit und der Temperatur während des Verformungsschritts
ist in dieser Hinsicht sehr kritisch, im Besonderen bei Gegenständen, die dünner als
10 mm sind. Dies ist noch mehr von Bedeutung, wenn die Glasübergangstemperatur
des Schaums niedriger ist. Nebenbei ist bei einigen möglichen
Anwendungsarten die Biegesteifigkeit der Sandwich-Platte und damit
des Endprodukts unzureichend. Um die Biegesteifigkeit zu erhöhen, können der
Schaum dicker gemacht und/oder eine oder mehrere zusätzliche
Abdecklagen aufgebracht werden. Derartige Lösungen laufen jedoch immer
auf ein Zunahme des Gewichts hinaus, die oft als Nachteil angesehen
wird.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die oben erwähnten Nachteile
zumindest teilweise beseitigt werden.
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Im
Besonderen besteht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung darin,
ein Verfahren für
die Herstellung eines dreidimensional geformten Gegenstands zu liefern,
der eine Sandwich-Struktur besitzt, wobei das Verfahren einen Schritt
umfasst, bei dem eine dreidimensionale Verformung bei relativ niedrigen
Temperaturen ausgeführt
wird.
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Noch
ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein derartiges
Verfahren zu liefern, bei dem die Festigkeitseigenschaften des erhaltenen dreidimensionalen
Gegenstands, im Besonderen die Biegefestigkeit und die Biegesteifigkeit,
im Vergleich zu Gegenständen
verbessert werden, die in Übereinstimmung
mit Verfahren hergestellt werden, die im Stand der Technik bekannt
sind.
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Noch
ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein derartiges
Verfahren zu liefern, bei dem der Zusammenhang zwischen dem aufgebrachten
Druck, der Zeit und der Temperatur während des Verformungsschritts
für das
Endprodukt weniger kritisch ist.
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Das
oben erwähnte
Verfahren ist erfindungsgemäß durch
einen anisotropen thermoplastischen Schaum im Kern sowie dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausgangsmaterialien so ausgewählt werden,
dass die Glasübergangstemperatur
des Ausgangsmaterials der Kernschicht höher als die Glasübergangstemperatur
des Kunststoffs in der Abdecklage ist.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird ein anisotroper Schaum verwendet, d.h. ein geschlossenzelliger
Schaum, bei dem die Zellen länglich
ausgebildet sind, wobei ihre Länge
zumindest ein Mehrfaches der maximalen Breite der Zelle ist. Ein derartiger
anisotroper Schaum besitzt senkrecht zur Oberfläche der vorwiegend flachen
Baueinheit, d.h. in Richtung der Dicke, und damit des dreidimensional geformten
Endprodukts eine hohe Druckfestigkeit und Modul. Zusätzlich zur
hohen Druckfestigkeit (Modul) besitzt ein derartiger anisotroper
Schaum eine hohe Biegesteifigkeit, eine verbesserte Schlagfestigkeit
und eine dreidimensionale Formbarkeit bei Zimmertemperatur. Es sei
darauf hingewiesen, dass bei einem Schichtungsverfahren für die Herstellung
einer Sandwich-Platte,
das im Zusammenhang mit der Erörterung
des Stands der Technik erwähnt
wurde, der aufgebrachte fertige Schaum isotrop mit fast birnenförmigen Zellen
ist. Ein derartiger isotroper Schaum kann bei Zimmertemperatur nicht
dreidimensional verformt werden.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung werden die Ausgangsmaterialien im Hinblick aus die Glasübergangstemperaturen
ausgewählt,
um sicher zu stellen, dass die Abdecklage zu fließen beginnt, während der
Schaum nicht zusammenfällt.
Die Möglichkeit,
dass der Schaum zusammenfällt,
ist bei dem in EP-A-0 264 495 beschriebenen Verfahren wegen der
bevorzugten Materialwahl und den entsprechenden Verformungstemperaturen
ziemlich sicher, da die Glasübergangstemperatur
des Schaums bereits erreicht ist, lange bevor das Material der synthetischen
Matrix der faserverstärkten
Abdecklagen weich zu werden beginnt. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt
des Kunststoffs der faserverstärkten Abdecklage
in der Nähe
(±25 °C) der Glasübergangstemperatur
des Ausgangsmaterials der Schaumkernschicht, wobei der Schmelzpunkt
vorzugsweise etwas unterhalb der Glasübergangstemperatur liegt, statt
dass er etwas höher
ist.
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Die
Baueinheit aus einer Schaumkernschicht und aus zumindest einer Abdecklage,
vorzugsweise aus zwei Abdecklagen an beiden Seiten der Kernschicht,
kann aus einem anisotropen Schaum hergestellt werden, auf dem die
Abdecklage oder die Abdecklagen frei angeordnet werden. Um eine
gegenseitige Bindung zu erreichen, sind relativ hohe Vorheiztemperaturen
(vor dem tatsächlichen
Verformungsschritt) erforderlich. Vorzugsweise wird dieses Verfahren
bei relativ dicken Schaumschichten verwendet, d.h. bei Dicken von
12 mm oder mehr, etwa bei 25 mm.
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Vorzugsweise
enthält
das Verfahren einen Schritt zur Herstellung eines Sandwich-Elements,
bei dem vor Ort eine Sandwich-Platte ausgebildet wird, wobei die
Platte als die vorwiegend flache Baueinheit dem Verformungsschritt
unterworfen wird. Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
wird die Sandwich-Platte, die als Zwischenprodukt bei der Herstellung
des dreidimensionalen Gegenstands erzeugt wird, vor Ort auf einmal
ausgebildet. Anders ausgedrückt:
das Ausbilden des Schaums und das Verbinden von einer oder mehreren
Abdecklagen mit dem ausgebildeten Schaum erfolgen in einem Schritt.
Das vor Ort Ausbilden einer Platte mit einer Sandwich-Struktur ist
für sich,
beispielsweise aus
EP 0 636 463 des
Anmelders, bekannt. Im Allgemeinen besteht ein derartiges Verfahren
aus einem Schritt, in dem ein Film aus einem thermoplastischen Material, beispielsweise
aus Polyetherimid, das eine Menge eines Treibmittels enthält, zwischen
zwei Schichten eines faserverstärkten
thermoplastischen Kunststoffs angeordnet wird, beispielsweise aus
einem glasfaserverstärktem
Polyetherimid. Daraufhin wird diese Baueinheit zwischen zwei Druckplatten
angeordnet, die wahlweise erhitzt werden, worauf der Film zum Schäumen gebracht
wird, indem Wärme
und Druck, im Allgemeinen in Übereinstimmung
mit einer festgelegten Schäumkurve,
auf die Druckplatten aufgebracht werden, bis eine vorgegebene Dicke
des Schaums erreicht ist. Wenn diese Schaumdicke erreicht wurde,
wird die erhaltene Sandwich-Platte, im Allgemeinen gemäß einer
bestimmten Abkühlkurve, geregelt
abgekühlt.
Auf diese Weise wird der Schaum ausgebildet, wobei gleichzeitig
eine Verbindung zwischen dem ausgebildeten Schaum und den Abdecklagen
des faserverstärkten
Kunststoffs erfolgt, was zu einer sehr starken Bindung des Schaums
mit den Abdecklagen führt.
Die Struktur des Schaums der Sandwich-Platte, die vor Ort hergestellt
wird, ist anisotrop und besteht im Allgemeinen aus länglichen,
geschlossenen Zellen, bei denen die Länge ein Mehrfaches des größten Querschnitts
beträgt,
beispielsweise das Fünffache.
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Im
Besonderen ist dieses Schäumverfahren vor
Ort für
die Herstellung von dünnen
Sandwich-Platten geeignet, die eine optimale Kombination einer dreidimensionalen
Formbarkeit bei niedrigen Temperaturen, auch bei Zimmertemperatur,
einer hohen Biegesteifigkeit, eines geringen Gewichts und einer
geringen Dicke besitzen, beispielsweise von weniger als 12 mm. Zusätzlich sind
die Verformungsbedingungen, d.h. das Profil von Druck, Zeitdauer
und Temperatur, für
die Qualität
des Endprodukts weniger kritisch.
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Das
Ausgangsmaterial für
die Schaumkernschicht kann irgendein thermoplastischer Kunststoff oder
ein Gemisch von Materialien sein, die unter Verwendung eines geeigneten
Treibmittels geschäumt werden
können.
Beispiele umfassen unter anderem Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon
(PES) und Polysulfon. Im Besonderen werden Polyethersulfon und besonders
Polyetherimid wegen ihrer oben erwähnten Vorteile und ihrer ausgezeichneten
Feuerbeständigkeit
bevorzugt, die bei Anwendungen in der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie
wie auch auf anderen Gebieten des Transportwesens vorteilhaft sind. Beispiele
für geeignete
Treibmittel für
Polyetherimid sind Aceton und Methylenchlorid. Andere Treibmittel, entweder
als Lösungsmittel
oder als Quellmittel oder als physikalisches und/oder chemisches
Treibmittel oder eine Kombination davon, sind auf dem Fachgebiet
bekannt. Meistens handelt es sich beim Ausgangsmaterial für die Schaumkernschicht
um einen Film, der mit der geeigneten Menge eines Treibmittels imprägniert ist.
Falls es erwünscht
ist, können Zusatzstoffe,
wie etwa Nanopartikel, Fasern und flammhemmende Mittel beigegegeben werden.
Die Dicke des Films ist nicht begrenzt und schwankt beispielsweise
zwischen 75 und 400 μm
oder darüber. Es
können
auch mehrere übereinander
gestapelte Filme verwendet werden.
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Beispiele
für das
Material der synthetische Matrix der Abdecklage umfassen Polycarbonat
(PC), Polymethylmetacrylat (PMMA) sowie Gemische von Copolymeren,
weiters beispielsweise Polyethylenterephtalat mit Polybutylenterephtalat
(PET/PBT), wie etwa Valox (General Electric Company), sowie ein Gemisch
von PC mit PEI. Andere feuerbeständige Polymere
können
ebenfalls verwendet werden. Falls es erwünscht ist, können Zusatzstoffe
beigegeben werden, beispielsweise flammhemmende Mittel. Vorzugsweise
wird Polycarbonat (PC) als synthetische Matrix für die Abdecklagen verwendet,
im Besonderen in Kombination mit einem PEI-Schaum. Polycarbonat
(PC) besitzt eine Glasübergangstemperatur von
etwa 150 °C
und eine Schmelztemperatur von 220 °C, während Polyetherimid (PEI) eine
Glasübergangstemperatur
von 220 °C
besitzt. Wegen der ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften, der
flammhemmenden Eigenschaften, der Verformbarkeit bei niedrigen Temperaturen
und der relativ niedrigen Dichte der daraus erhaltenen Sandwich-Platte
und damit des ausgebildeten Gegenstands handelt es sich dabei um
eine bevorzugte Materialkombination. Es sei darauf hingewiesen,
dass eine niedrigere Verformungstemperatur zu einem Vorteil beim
Gewicht führt,
der in der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie besonders wichtig ist.
Beispiele von Gegenständen,
die in Übereinstimmung
mit dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt wurden, umfassen
Abdeckplatten, im Besonderen Decken- und/oder Seitenwandplatten,
besonders für
die Innenwände
von Raumschiffen, Flugzeugen und Transportfahrzeugen, wie etwa Züge, Straßenbahnen
und Autobusse, vollständige Rohre
für Sitze,
Arm- und/oder Rückenlehnen
von Sitzen sowie Sitze für
Sitzeinrichtungen im Transportwesen. In Übereinstimmung mit dem Verfahren der
Erfindung können
auch tragende Konstruktionen hergestellt werden. Andere typische
Endprodukte, die erfindungsgemäß hergestellt
werden können, umfassen
Helme, Badewannen, Einrichtungsgegenstände sowie bestimmte Autoteile.
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Die
Auswahl der Fasern für
den faserverstärkten
Kunststoff ist in keiner Weise eingeschränkt. Anorganische Fasern, wie
etwa Glas-, Metall- und Kohlefasern, organische Fasern, einschließlich Aramidfasern,
sowie Naturfasern können
Verendung finden, wenn sie den Bedingungen standhalten können, die
vorherrschen, wenn das Verfahren ausgeführt wird. Die Fasern können ausgerichtet
oder nicht ausgerichtet sein. Wirkwaren, Gewebe, Stoffe sowie einseitig
gerichtete Fasern sind verschiedene Erscheinungsformen davon. Vorher
wird die Faserstruktur im Allgemeinen mit einem Kunststoff zu einem
sogenannten Prepreg imprägniert,
das vorzugsweise zu einer Abdecklage verfestigt wird, die als Ausgangsmaterial
für das
Verfahren gemäß der Erfindung
verwendet wird. Andere Verfahren sind Filmstapel- und Schichtungsverfahren.
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Wegen
des bevorzugten Verhältnisses
zwischen der Biegesteifigkeit und dem Gewicht ist die Dicke der
vor Ort ausgebildeten Sandwich-Platte vorzugsweise kleiner als 12
mm, oder noch besser kleiner als 8 mm. Wenn die Dicke größer wird,
ist der relative Vorteil bei der Biegesteifigkeit und anderen Eigenschaften
geringer.
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Um
die Festigkeitseigenschaften zu verbessern, können eine oder mehrere Zwischenschichten aus
einem faserverstärkten,
thermoplastischen Kunststoff im Schaum vorhanden sein. Anders ausgedrückt: das
erhaltene Endprodukt besitzt einen Sandwich-Aufbau, der abwechselnde Schichten aus einem
Schaum bzw. aus einem faserverstärkten
thermoplastischen Material enthält.
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Infolge
der Materialwahl für
die Abdecklage wird der Verformungsschritt in Abhängigkeit
von der Materialwahl für
die Form vorzugsweise bei einer Formtemperatur unter 150 °C ausgeführt. Neben
einem deutlichen Vorteil im Hinblick auf die Betriebskosten des
Herstellungsverfahrens bietet, wie bereits oben erörtert wurde,
ein Verformungsschritt bei niedrigeren Temperaturen die Möglichkeit,
ein Endprodukt zu erhalten, das ein geringeres Gewicht besitzt.
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In
diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Verformungsschritt
das Bearbeiten der Fläche
der Sandwich-Platte
umfasst, während dem
zumindest einem Teil dieser Fläche
eine andere Form verliehen wird.
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Nunmehr
soll die Erfindung anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert werden.
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Beispiel 1
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Eine
Sandwich-Platte, die aus verfestigten, glasfaserverstärkten Polycarbonat-Abdecklagen
sowie aus einem vor Ort geschäumten
Schaum aus Polyetherimid bestand, wurde gemäß jenem Verfahren hergestellt,
das nunmehr beschrieben wird.
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Ein
Film aus Polyetherimid, der eine Dicke von 250 μm besaß, sowie ein gleichartiger
Film mit einer Dicke von 125 μm,
wobei beide Filme als Ultem 1000 Standardqualität von Standard Electric Company
bekannt sind und mit Aceton imprägniert
waren, wurden zwischen zwei Abdecklagen mit einer Dicke von ±0,25 mm
eingesetzt. Eine derartige Abdecklage besteht aus einem verfestigten
Glasgewebe (Interglas Style 91135), das mit 32±1% Polycarbonat imprägniert und
mit dem für
sich bekannten Filmstapelverfahren hergestellt wurde.
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Diese
Baueinheit aus Filmen und Abdecklagen wurde zwischen zwei erhitzten
Druckplatten angeordnet, auf die ein Druck von etwa 25–50 kg/cm2 aufgebracht
wurde. Nachdem die Baueinheit eine gleichförmige Temperatur erreicht hatte,
wurde die Presse in Übereinstimmung
mit einer Schäumkurve, die
mit der ausgewählten
Filmart in Beziehung steht, geöffnet,
bis die Schaumdicke, die der Film erzeugt, eine Größe von 5,2
mm besaß.
Nach einem geregelten Abkühlen
wurde die Sandwich-Platte
getrocknet, um den Aceton so weit wie möglich zu entfernen.
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Die
Sandwich-Platte, die man auf diese Weise vor Ort erhielt, besaß eine anisotrope
Schaumstruktur, die vorwiegend längliche
Zellen aufwies, bei denen die größte Abmessung
in Richtung der Plattendicke verläuft. Bei einer Dichte des Schaums
von 90 kg/m3 betrug die Druckfestigkeit 2,3 MPa. Zum Vergleich:
ein isotroper PEI-Schaum mit einer Dichte von 90 kg/m3 besitzt eine
Druckfestigkeit von 1,3 MPa.
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Die
Sandwich-Platte mit einer Größe von 220 × 220 mm,
die so hergestellt wurde, wie dies oben beschrieben ist, wurde zwischen
zwei erhitzten Druckplatten angeordnet, die auf T = 210–240 °C gehalten
wurden, und für
10–20
Sekunden erhitzt. Um ein Verkleben des weichen Polycarbonats mit
den Druckplatten zu verhindern, wurde als Trennfilm eine 0,5 mm
dicke Schutzabdeckung aus Silikonkautschuk verwendet.
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Die
gesamte Baueinheit wurde in einer erhitzten Holzform (T = 50–70 °C) mit einer
hohlen, kreisförmigen Öffnung angeordnet,
worauf eine flache, hölzerne
Oberform (T = 50–70 °C), die mit
einer Öffnung
versehen war, über
der Baueinheit angeordnet wurde. Mit einem konvexen Kunststoffstempel
(T = 50–70 °C), der mit
einem Griff versehen war, wurde die Sandwich-Platte in die Hohlform
gepresst, wobei die Oberform als eine Art Einspanneinrichtung diente.
Nach etwa 10 Sekunden wurde der Stempel entfernt und der geformte
Gegenstand konnte aus der Form genommen werden. Die Vertiefung in
der Sandwich-Platte, die dabei ausgebildet wurde, besaß einen
Durchmesser von 125 mm und eine Höhe von 25 mm. Die Dicke entlang
des Querschnitts der Vertiefung war überall etwa gleich groß und vorwiegend gleich
der Ausgangsdicke der geschäumten,
getrockneten Sandwich-Platte.
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Beispiel 2
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Eine
Sandwich-Platte, die aus verdichteten, glasfaserverstärkten Polycarbonat-Abdecklagen
sowie einem vor Ort ausgebildeten Schaum aus Polyetherimid bestand,
wurde in Übereinstimmung
mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
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Zwei
Filme aus Polyetherimid, von denen jeder eine Dicke von 250 μm besaß, die als
Ultem 1000 Standardqualität
von General Electric Company bekannt sind und mit Aceton imprägniert waren,
wurden zwischen zwei Abdecklagen mit einer Dicke von ±0,50 mm
eingesetzt. Die Abdecklage bestand aus einer verfestigten Folie
von zwei Schichten eines Glasgewebes (US Style 7781), das mit 32±1% Polycarbonat
imprägniert
und mit dem für
sich bekannten Filmstapelverfahren hergestellt wurde.
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Diese
Baueinheit aus Kernfilmen und Abdecklagen wurde zwischen zwei erhitzten
Druckplatten angeordnet, auf die ein Druck von etwa 25–50 kg/cm2
aufgebracht wurde. Nachdem die Baueinheit die Schäumtemperatur
erreicht hatte, wurde die Presse in Übereinstimmung mit einer Schäumkurve, die
mit der ausgewählten
Filmart in Beziehung steht, geöffnet,
bis man die erwünschte
Schaumdicke von 7,2 mm erhielt. Nach einem geregelten Abkühlen wurde
die Sandwich-Platte getrocknet, um den Aceton so weit wie möglich zu
entfernen.
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Die
auf diese Weise vor Ort hergestellte Sandwich-Platte, besaß eine anisotrope
Schaumstruktur, die bei einer Dichte des Schaums von 90 kg/m3 eine
die Druckfestigkeit 2,1 MPa besaß.
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Auf
die gleiche Weise wie beim Beispiel 1 wurde die oben erwähnte gefertigte
Sandwich-Platte, die eine Größe von 220 × 220 mm
besaß,
erhitzt und anschließend
geformt.
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Die
birnenförmige
Vertiefung, die auf diese Weise in der Sandwich-Platte ausgebildet
wurde, besaß einen
Durchmesser von 135 mm und eine Höhe von 30 mm. Die Dicke entlang
des Querschnitts der Vertiefung war überall im Wesentlichen gleich
der Ausgangsdicke der geschäumten,
getrockneten Sandwich-Platte.