Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 04-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 3

Leichtbau mit Sandwichstrukturen

Die Suche nach innovativen Möglichkeiten zur Reduktion des Kraftstoff- beziehungsweise Treibstoffverbrauchs und die strenger werdenden gesetzlichen Vorgaben bezüglich CO2-Emissionen vor allem im Bereich der Automobil- und Luftfahrtindustrie lassen das Interesse an leichten Sandwichstrukturen steigen. Sandwichstrukturen bieten neben der Steifigkeits- und Festigkeitsperformance auch die Möglichkeit zur Integration verschiedener Funktionen mit dem Ziel einer Reduktion des Bauteilgewichts und der Kosten. Durch Funktionsintegration kann man Vorteile gegenüber den herkömmlichen Lösungen erzielen, beispielsweise wenn zusätzlich thermische Installationen appliziert werden.


Der Sandwichaufbau verbindet zwei außenliegende dünne, hochfeste und steife Deckschichten mit einem Kernmaterial geringer Dichte. Solche Strukturen finden in technischen Bereichen Anwendung, wo hohe gewichtsspezifische Biegesteifigkeiten und -festigkeiten gefordert sind. Wird in eine Sandwichstruktur eine Funktionalität integriert, die eine zusätzliche Kühl- beziehungsweise Heizfunktion übernimmt, können neue Einsatzgebiete erschlossen werden. Denkbar wäre ein Einsatz in der Automobilindustrie für die Klimatisierung von Fahrzeugen oder als Enteisungssystem zum Beispiel für die Beheizung vereisungsgefährdeter Bereiche an Flugzeugtragflächen oder an Rotorblättern von Windkraftanlagen.

Sandwichstrukturen erhalten zusätzliche Dimensionen

Ziel der Funktionsintegration ist es, mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammenzufassen. Zusätzlich können Werkstoffeigenschaften gezielt optimiert werden. Sandwichstrukturen eignen sich gut für die Integration zusätzlicher Funktionen. Feste Deckschichten dienen der Anbindung und als Plattform für die Platzierung addierter Funktionselemente während das Kernmaterial als freier Bauraum genutzt werden kann. Das Kernmaterial kann zusätzlich die Funktion der thermischen Isolierung übernehmen, wenn zum Beispiel Polymerschäume eingesetzt werden.
Für die Integration zusätzlicher Funktionalitäten existieren verschiedene Konzepte wie beispielsweise die Funktionalisierung der Schäume und Decklagen (Flammschutz, Dämpfungsverhalten etc.) oder die funktionelle Integration passiver Elemente (Lasteinleitung, Gelenkfunktionen etc.). Außerdem besteht die Möglichkeit der funktionellen Integration aktiver Elemente (Heiz- und Kühlelemente zur thermischen Bauteilkontrolle) sowie eine funktionelle Integration sensorischer Elemente (Temperatursensoren, faseroptische Dehnungssensoren etc.) [1].
Der umgebende Faserverbundwerkstoff kann zudem die integrierten Funktionalitäten vor externen Einflüssen beispielsweise mechanischer Beanspruchung oder Umwelteinfüllen schützen. Bei der Funktionsintegration in Faserverbundwerkstoffe ist zu beachten, dass möglichst kompatible Technologien eingesetzt werden. Bei der Integration von metallischen Strukturen in Faserverbundwerkstoffe kann es aufgrund des unterschiedlichen Ermüdungs- und Wärmeausdehnungsverhalten beider Materialien zu Schwachstellen im Faserverbund kommen, was die Lebensdauer der Sandwichstruktur reduziert. Anhand des folgenden Anwendungsbeispiels soll eine Möglichkeit gezeigt werden, wie konventionelle metallische Heizelemente durch faserverbundgeeignete Heizelemente subsituiert werden können.

 Funktionelle Integration von metallfreien Heizelementen

Bild 1 Deckschichten der Sandwichstruktur mit integrierten Heizelementen.

Bild 1
Deckschichten der Sandwichstruktur mit integrierten Heizelementen.

Das Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt hat einen Sandwichdemonstrator in Form eines Flügelvorderkantensegments mit thermischer Bauteilkontrolle entwickelt und gefertigt (Bild 1). In den Laminataufbau des Faserverbundmaterials werden Heizelemente auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren (Englisch: carbon nanotubes, CNT) integriert und als elektrische Widerstandsheizung verwendet. Wegen ihrer guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften werden Kohlenstoff-Nanoröhren als Werkstoff mit großem Potenzial im Bereich der Material- und Technologieentwicklung eingeschätzt [2].

Seite des Artikels
Autoren

B. Eng. Mandy Geiling

Fraunhofer LBF

Dipl.-Ing. Oliver Schwarzhaupt

Fraunhofer LBF

Dipl.-Ing. Conchin Contell Asins

Fraunhofer LBF

Verwandte Artikel

Harte und präzise Werkstoffoberfläche durch eine eigene Beschichtungstechnologie

Makroskopische Anrissüberwachung in Bauteilen

Gleiche Stabilität bei halbem Gewicht

Gewichtsreduktion für die Großserie

Kombination von Aluminium mit Kohlenstoff-basierten Einsätzen