DE7727940U1 - Verbundwerkstoff in sandwich-bauweise - Google Patents

Description

PATENTANWALT DR. HXN'S--©'UNTIfER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 80

Köln, den 23. August 1977

■ Bueh + Kölzer QHG-, 4o1 Q Hilden. Elberfeider Straße 84

Verbundwerkstoff in Sandwich-Bauweise, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff in Sandwich-Bauweise, der im wesentlichen aus zwei Deckschichten aus härtbarem^ vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoffharz und einer, kunstharzimprägnierten Mittellage besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes und seine Verwendung.

Verbundwerkstoffe in Sandwich-Bauweise sind bekannt und werden als Konstruktionselemente in vielfältiger Weise verwendet. Sie bestehen aus drei oder mehr Lagen verschiedener Schichtstoffe, wobei die äußeren Lagen in der Regel aus einem widerstandfähigen, oft auch dekorativ wirkenden Material bestehen, während die Mittellage meist weniger widerstandsfähig, dafür aber von geringerer Dichte ist. Solche Verbundwerkstoffe beispielsweise aus glasfaserverstärkten Kunststoffen mit einer Mittellage aus einem anderen Material sind in der Industrie und gewerblichen Wirtschaft weit verbreitet und zeichnen sich durch eine Reihe günstiger Eigenschaften aus, wie niedriges spezifisches Gewicht, Formstabilität, gute Zug- und Biegefestigkeit und hohes Isoliervermögen. Neben ihren günstigen mechani-

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sehen Eigenschaften haben diese sogenannten Sandwich-Elemente noch den weiteren Vorteil, daß durch diese Bauweise Materialkosten in erheblichem Maße eingespart werden können, da nur die meist dünnen Deckschichten aus hochwertigem und daher entsprechend teurem Material bestehen, wogegen für die Mittellage regelmäßig billigere Stoffe genommen werden. Beispielsweise können solche Sandwich-Elemente so aufgebaut sein, daß die beiden.Deckschichten aus glasfaserverstärktem; Kunststoff und die Mittelläge aus Polyurethanschaum, PVC-Schäum, Balsaholz _ oder kunststoffimprägnierten, wabenförmigen Materialien aus Papier oder Faserstoffen bestehen. Diese Mittellägen sind jedoch im allgemeinen verhältnismäßig steif, so daß sich mit so zusammengesetzten Sandwich-Elementen zwar ebene oder schwach gekrümmte Konstruktionsteile leicht herstellen lassen, stärker gekrümmte oder sphärisch stark verformte Teile dagegen nur unter großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht.

Es ist- ferner bekannt, als Mittellagen oder sogenannten Sandwich-Einlagen auch Filze oder Vliese einzusetzen. Bei diesen ist jedoch eine blasenfreie Entlüftung der pastösen Harzmasse, die als Bindemittel für den festen Verbund von Deckschichten und Mittellage verantwortlich ist, kaum möglich, was sich ungünstig auf die mechanischen Eigenschaften der Konstruktionsteile auswirkt. Bei stark gekrümmten oder sphärisch verformten Gegenständen lassen sich diese Filz- oder Vlieseinlagen zudem nur unzureichend den konkav oder konvex geformten Flächen anpassen, so daß sich störende Faltenbildungen oder Überlappungen nicht vermeiden lassen.

Man hat in jüngerer Zeit auch die Verwendung von syntaktischen Schäumen zur Herstellung von Sandwich-Einlagen vorgeschlagen. Syntaktische Schäume werden aus einem Kunstharz, z.B. ungesättigten Polyester- und Epoxidharzen, und sogenannten Leichtfüllstoffen, die beispielsweise aus hohlkugelförmigen Teilchen aus Natriumborsilikatglas mit einem Durchmesser von 2o bis 2oo ruh bestehen und unter dem

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Namen " Micro-Balloons" (Micro-Kügelchen) bekannt sind, der- . ί gestalt hergestellt, daß die Teilchen mit einem überzug des | Kunstharzes versehen werden. Vor dem Aushärten des Kunstharzes liegen diese Schaummischungen in einem mehr oder wer niger pastösen Zustand vor, der u.a.· auch von der Art und Menge der zugesetzten Füllstoffe abhängt. Beim Aushärten ergeben sich hochfeste Sandwich-Einlagen niedriger Dichte mit einer sehr guten Haftung an den glasfaserverstärkten Kuhst-

harzdeckschichten. .-· -■.-■.

Die Verarbeitbärkeit solcher syntaktischer Schäume als Sandwich-Einlage ist jedoch ebenfalls nicht problemlos. Aufgrund seiner grießartigen, pastösen Beschaffenheit und Fließfähigkeit stößt seine Verwendung in der Praxis ^uf erhebliche Schwierigkeiten, weil ein Auftragen in gleichmäßiger Schichtstärke durch Spritzen, Aufgiessen oder Rakeln nur unzureichend und unter Schwierigkeiten.möglich ist. Da die Sandwich-Einlage"· in der Regel aus einer mehrere Millimeter starken Schicht besteht, kommt es insbesondere bei der Verarbeitung an aufrechtstehenden Flächen wegen der ausgeprägten Fließfähigkeit dieser syntaktischen Schäume zur Ausbildung unregelmäßiger Schichtstärken. Eine gleichbleibende, vorbestimmbare Qualität der Verbundwerkstoffe ist daher kaum zu erreichen, und die f unkalkulierbaren Schwankungen der Schichtstärke wirken sich \ auch nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Herstellung | solcher Verbundwerkstoffe aus. · %

Ferner ist das Aufbringen der glasfaserverstärkten Deckschicht | erst nach dem Aushärten der Sandwich-Einlageschicht möglich, ' da die pastöse Masse andernfalls beim Anrollen der Deckschicht | und Entlüften der Harzmasse mehr oder weniger stark weggedrückt würde. Die Herstellung des Verbundwerkstoffes "nass in nass", d.h. in einem Arbeitsgang, ist auf diese Weise nicht möglich.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verbundwerkstoffes für Konstruktionsteile, durch den auch bei stark gekrümmten und sphärischen Raumformen die oben erwähnten Nachteile vermieden werden, sowie ein Verfahren zur Hersteilung dieses Verbündwerkstoffes in einem Arbeitsgang.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verbundwerkstoff in Sandwich-Bauweise, der im wesentlichen aus zwei widerstandsfähigen, dünnen Deckschichten und mindestens einer kunstharzimprägnierten Mittellage besteht. Der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellage aus mindestens einer .saugfähigen Filzoder Vliesschicht mit netz- oder gitterartiger Struktur oder lochartigen Aussparungen besteht, wobei diese Schicht einschliesslich des Netzwerkes bzw. der Aussparungen mit einer pastosen, härtbaren Kunstharzmasse geringer Dichte und geeigneten Füllstoffen imprägniert bzw. ausgefüllt ist.

Die Deckschichten können aus einem beliebigen widerstandsfähigen, dünnen Plattenmaterial bestehen, z.B. aus Hartpapieren, Hartgeweben, Holzfurnieren, Metallblech, Kunststofffolien u.dgl. Vorzugsweise bestehen sie aus härtbarem Kunstharz, insbesondere aus härtbarem, glasfaserverstärktem Kunstharz, z.B. ungesättigten Polyester- oder Epoxidharzen.

Die Mittellage aus mindestens einer saugfähigen Filz- oder Vliesschicht ist netz- oder gitterartig ausgestaltet bzw. besitzt lochartige Aussparungen. Das gewünschte Netz- oder Gitterwerk erhält man beispielsweise dadurch, daß man aus einem handelsüblichen Filz- oder Vliestuch entsprechend geformte Flächenstücke ausstanzt, so daß nur schmale, miteinander- verbundene Materialstege stehen bleiben, die so zueinander angeordnet sind, daß deren Gesamtheit das Netzoder Gittwerk ausmacht. Die Breite der Materialstege ist von

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verschiedenen Faktoren abhängig, wie Dicke und Qualität des Filz- oder Vliesstückes, Stärke der Krümmung oder sphärischen Verformung des herzustellenden Konstruktionselements usw. Die Stege sollen jedoch in jedem Falle so.bemessen sein, daß die Filz- oder Vlieseinlage einerseits"eine ausreichende Stabilität und Festigkeit behält, andererseits aber ein höchstmögliches Maß an Flexibilität erreicht wird, so daß sich die Einlage.jeder auch. stärker gekrümmten oder sphärisch verformten Raumform anzupassen in der Eage ist. Beispielsweise kann der Filz aus einer Polypropylenschicht von 3 mm Dicke und einem Gewicht von ca. 2oo bis 3oo g/ni bestehen, die Stege zwischen 1 und 3 mm Breite und Stanzöffnungen mit einem Durchmesser zwischen 2 und 7 mm aufweist. Ein solcher Filz läßt sich infolge der gitter- oder netzartigen Struktur ohne weiteres auch in extrem sphärisch verformten Teilen faltenfrei und ohne Überlappungen einlegen.

Die "-Stanzöffnungen können verschiedene Formen haben. Beispielsweise können sie kreis- oder ellipsenförmig, quadratisch, rechteckig oder auch unregelmäßig geformt sein.

Die optimale Größe der Stanzöffnungen hängt im wesentlichen von der Viskosität der pastösen, härtbaren Kunstharzmasse ab. Bei niedrigerer Viskosität werden die Stanzöffnungen zweckmäßig kleiner, bei höherer Viskosität größer gewählt. Wichtig ist dabei, daß die Größe der Stanzöffnungen auf die jeweilige Viskosität so abgestimmt ist, daß einerseits eine gute Entlüftung der Harzmasse gewährleistet ist, andererseits das unerwünschte Abfliessen der Kunstharzmasse und damit unregelmäßige Schichtstärken vermieden werden. Dies kann aber jeweils durch wenige orientierende Versuche leicht festgestellt werden. . .

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Zur Ausfüllung der Stanzöffnungen und Imprägnierung des Netz- oder Gitterwerks der Filz- oder Vlieseinlage werden pastöse, härtbare Kunstharzmassen verwendet', z.B. ungesättigte Polyester- öder Epoxidharze.

Grundsätzlich lassen, sich solche Kunstharze vorteilhaft einsetzen, die durch Thixotropiemittel hochpastös eingestellt werden können, oder die mit Füllstoffen wie Kreide, Talkum u.dgl. versetzt.sind. Zur Erzielung feuerfester Laminate können als Füllstoffe auch Aluminiumhydroxid oder ähnliches zugesetzt werden. Besonders bevorzugt wird ein Gemisch aus einem pastosen, härtbaren Kunstharz und Leichtfüllstoffen wie "Micro-Balloons" aus Natriumborsilikatglas eingesetzt, da es als syntaktischer Schaum nicht nur gut in und auf der Filz- oder Vlieseinlage verteilt werden kann, ohne daß es zu Unregelmäßigkeiten in der Ausbildung der Schichtstärke kommt, sondern darüber hinaus durch sein geringes spezifischen Gewicht zu bemerkenswerten Gewichtseinsparungen führt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zunächst auf eine erste Deckschicht, die vorzugsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunstharz besteht, nach dem Laminieren eine pastöse, härtbare Künstharzmasse, vorzugsweise in Mischung mit Leichtfüllstoffen, in an sich bekannter Weise in dünner Schicht gleichmäßig aufträgt, in die aufgetragene pastöse Masse als Mittellage mindestens eine saugfähige Filz- oder Vliesschicht von netz- oder gitterartiger Struktur oder mit lochartigen Aussparungen einlegt und durch Anrollen mit einer Lammfell- oder Laminierrolle o.dgl. die pastöse Masse in die öffnungen der Filz- oder Vliesschicht drückt und dabei entlüftet, schließlich weitere Kunstharz-

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masse, gegebenenfalls in. Mischung mit Leichtfüllstoffen, aufträgt, bis die öffnungen der,Filz- oder Vliesschicht vollständig ausgefüllt sind und die Stege der Filz- oder Vliesschicht mit einer dünnen, gleichmäßigen. Schicht der Kunstharzmasse bedeckt-sind, worauf die zweite Deckschicht-, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunstharz, aufgetragen und der so erhaltene Verbund durch -geeignete Maßnahmen wie Anrollen der zweiten Deckschicht mit einer Lammfell- oder Laminierrolle, mechanischem Anpressen u.dgl. entlüftet und anschliessend in. an'sich bekannter-"Weise ausgehärtet wird.

Die pastöse Masse wird zweckmäßig bei Raumtemperatur aufgetragen und auch die Härtung erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur oder mäßig erhöhter Temperatur durch Zugabe der üblichen Härter für Polyesterharze, z.B. in Form von Peroxiden oder durch Bestrahlung mit ultravioletten. Strahlen.

Die "erfindungsgemäße Verwendung von netz- oder gitterartig ausgebildeten, saugfähigen Filz- oder Vliesschichten bringt viele Vorteile mit sich. So lassen.sich mit Hilfe der so ausgestalteten Einlagen auch stark gekrümmte oder' sphärisch geformte Konstruktionselemente ohne weiteres herstellen, da sich die Filz- oder Vliesstoffe infolge ihrer netz- oder gitterartigen Ausgestaltung leicht solchen ausgeprägten Formen anpassen, ohne daß es zu störenden Überlappungen oder Faltenbildungen kommt. Sie sind ferner infolge ihrer Ausgestaltung leichter als kompakte, durchgehende Schichten gleicher Stärke, dienen also der Gewichts- und Materialeinsparung. Schließlich bewirkt die Saugfähigkeit der Stege, daß ein gewisser Flüssigkeitsanteil der aufgetragenen pastösen Harzmasse von diesen Stegen aufgesogen wird, so daß die Harz-

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masse auch bei. der Verarbeitung an aufrecht stehenden Flächen nicht mehr die unerwünschte Neigung zum Abfliessen zeigt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, das Gesamtlaminat "nass in nass" in einem Verfahrensgang herzustellen. Dadurch ist das Verfahren ausgesprochen wirtschaftlich. Man erreicht auf diese Weise eine optimale Haftung der einzelnen Laminatschichten untereinander.

Ede Stege des netz- oder gitterartigen Filz- bzw. Vliesmaterials fungieren gleichzeitig als Abstandshalter, da sie mit definierter, vorbestimmter Stärke eingesetzt werden können, und erlauben dadurch die Einhaltung einer exakten Schichtstärke auch bei extrem gebogenen oder sphärisch gekrümmten Formteilen. .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auch sehr dünnwandige, sphärisch extrem stark verformte Konstruktionselemente in Sandwich-Bauweise herzustellen. Bereits bei Konstruktionselementen mit einer Wandstärke von 5 mm ergeben sich dabei Gewichtseinsparungen bis zu 5o %, insbesondere beim Einsatz von Mischungen aus pastösen Harzmassen und Leichtfüllstoffen, dem sogenannten syntaktischen Schaum. Bei größeren Wandstärken können die Gewichtseinsparungen sogar noch höhere Werte erreichen, ohne daß dabei die Festigkeit, Widerstandsfähigkeit oder andere die Qualität des Verbundstoffes bestimmende physikalische Eigenschaften beeinträchtigt werden. Entsprechend hoch sind auch die Einsparungen an Materialkosten.

Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe lassen sich in vielfältiger Weise einsetzen. Sie sind vorzugsweise zur Herstellung von Bauelementen, Behältern, Konstruktionselementen im Fahrzeugbau, insbesondere von Karrosserieteilen, Schiffskörpern sowie von Möbelteilen vorteilhaft zu verwenden.

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So werden ζυ;η Beispiel Abdeckhauben oder Gehauseteile für Maschinen aus einem derartigen Verbundwerkstoff mit etwa 5 mm Wandstärke hergestellt, wobei die beiden außenliegenden Schichten aus jeweils 1 mm starkem glasfaserverstärktem Polyesterharz und 3 mm Sandwich-Einlage nach der Erfindung bestehen. Bei großflächigen Formteilen, bei denen eine höhere Biegesteifigkeit verlangt wird (z.B. LKW-Aufbauten, Frachtcontainern und dergl.) beträgt die Gesamtstärke des Verbundwerkstoffes mindestens 1o mm. Der Aufbau des Verbundstoffes richtet sich in solchen Fällen nach den Anforderungen an die Fertigteile. Wird geringes Gewicht' und hohe Biegefestigkeit verlangt, genügen dünne innen- und außenliegende Schichten aus GFK (1-2 mm). Die restlichen 6-8 mm der Mittellage werden aus dem beschriebenen Sandwichmaterial hergestellt.

Werden hohe Bruchfestigkeiten verlangt, kann man die außenliegenden GFK-Schichten, welche die Schub- und Zugkräfte aufnehmen, verstärken oder die Gesamtstärke des Verbundwerkstoffes insgesamt erhöhen.

Auschlaggebend für den Aufbau sind jeweils die Relationen zwischen Herstellungs- und Materialkosten einerseits und Anforderungen an das Fertigteil andererseits.

Figur 1 zeigt teilweise aufgeschnitten eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs mit den Deckschichten 1 und 2, einer Mittellage aus einer kunstharz imprägnierten Filzschicht 3 mit zylindrischen Aussparungen 4, die mit hohlen Microkugeln 5 und Kunstharz ausgefüllt sind. Wegen der übersichtlicheren Darstellung wurden einige Aussparungen 4 ungefüllt gezeichnet.

Figur 2 zeigt die für die Mittellage der Figur 1 verwendete Filzschicht 3 mit den Löchern 4 vor der Herstellung des Verbundwerkstoffs.

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Claims (4)

1. - 1ο -

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   Ai Verbundwerkstoff in Sandwich-Bauweise, der im wesentlichen aus zwei widerstandsfähigen, dünnen Deckschichten und mindestens.einer kunstharzimpräghierten Mittellage besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellage aus mindestens einer .saugfähigen Filz-öder Vliesschicht mit netz- oder gitterartiger Struktur oder lochartigen Aussparungen-besteht, wobei diese Schicht-einschliesslich des Netzwerkes bzw. der Aussparungen mit einer pastosen, härtbaren Kunstharzmasse und gegebenenfalls geeigneten Füllstoffen geringer Dichte imprägniert bzw. ausgefüllt ist.
2. 2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus härtbarem, insbesondere härtbarem und glasfaserverstärktem Kunstharz bestehen.
3. 3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das härtbare Kunstharz aus ungesättigten Polyesteroder Epoxidharzen besteht.
4. 4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellage mit einem syntaktischen Schaum, der aus einer pastösen, härtbaren Kunstharzmasse und Leichtfüllstoffen aus Natriumborsilikatglas in Form von Micro-Hohlkügelchen besteht, ausgefüllt ist.

   flT*^³^¹ **⁰¹¹ 7ΠΤ* H O T" ff? ΐί^-

   Anspruch 1 bis 5, dadurch-gekennzeichnet ,dajlJiair~zTinächst _Λ <t auf eine erste Deckschicht, die^jrosarctfsweise aus einem i'\· ' glasfaserverstärkt^JienStHarz besteht, nach dem Laminieren /- eine pasJtöee^hSrtbare Kunstharzmasse, vorzugsweise in Mi-

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   Schufzanspr.J/d, If. Bl. ^gestrichen 772794t) 13.0U8