DE102005037055A1

DE102005037055A1 - Flexibel formbare Kernstruktur für die Sandwichbauweise

Info

Publication number: DE102005037055A1
Application number: DE200510037055
Authority: DE
Inventors: Christian Thomas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-08

Abstract

Das Prinzip einer Sandwichbauweise beruht darauf, dass zwischen zwei dünnen Decklagen ein leichtes, druck- und schubfestes Kernmaterial eingebracht wird. Dadurch kann bei geringem Materialeinsatz und minimalem Gewicht eine große Wandstärke realisiert werden, die eine hohe Steifigkeit erreicht. DOLLAR A Die Zwölfeck-Kernstruktur für die Sandwichbauweise ist dadurch gekennzeichnet, dass sie sich aufgrund spannungsfreier, rein geometrischer Veränderung ihrer Struktur flexibel in sämtlichen Richtungen einachsig und zweiachsig sowie konkav und konvex in beliebiger Addition der Krümmungen verformen lässt. DOLLAR A Sie besteht aus einer zweidimensional wiederholten Zwölfeck-Struktur, wobei in einem Zwölfeck (sofern keine Verformung besteht) die zwölf Seiten gleicher Länge abwechselnd drei Innenwinkel 120 DEG und darauf folgend einen Innenwinkel 240 DEG aufweisen. DOLLAR A Die Struktur ergibt sich aus mehreren dieser Zwölfecke, die durch Verschiebung (und nicht durch Drehung) aneinander gegliedert sind, wobei vom Mittelpunkt M eines Zwölfecks die Mittelpunkte der sechs Nachbar-Zwölfecke auf den Geraden liegen, die von M aus durch die drei von M am weitesten entfernten und die drei von M aus nächsten Ecken gehen.

Description

1. Der technische Stand/Das Problem:

Das Prinzip einer Sandwichbauweise beruht darauf, dass zwischen zwei dünnen Decklagen ein leichtes, druck- und schubfestes Kernmaterial eingebracht wird. Dadurch kann bei geringem Materialeinsatz und minimalem Gewicht eine große Wandstärke realisiert werden, die eine hohe Steifigkeit erreicht. Als Deckschichtmaterialien für eine solche Bauweise sind besonders dünne GFK-Laminate geeignet. Je nach Anforderungsprofil können natürlich auch SFK- oder CFK-Laminate verwendet werden.

Beim Kernwerkstoff wurden bislang die besten Ergebnisse mit Aramid-Wabenkernen (den sog. Honeycombs oder Nomex-Waben) erzielt. Sie sind anderen Stützstoffen wie Balsaholz und Schaumstoffen aufgrund des geringeren Gewichtes, der höheren mechanischen Festigkeit und der guten Verklebbarkeit deutlich überlegen.

Ein Problem dieser Aramid-Wabe besteht allerdings in ihrer schlechten Verformbarkeit, welche in der Struktur der Wabe begründet ist.

Krümmt man die Wabe in einer Achse, so dehnt sich die Struktur in der Zugzone in der belasteten Achse. Aufgrund dieser Dehnung staucht sich die Struktur nun in der unbelasteten Achse orthogonal dazu (1). Diese Stauchung wird nicht direkt durch die Biegebelastung hervorgerufen, sondern durch die Dehnung in der belasteten Achse.
In der Druckzone wird die Struktur in der belasteten Achse gestaucht, und dies führt wiederum zu einer Dehnung in der unbelasteten Achse (2). Bei dreidimensionaler Betrachtung ist nun die Folge der Dehnung in der Druckzone und der Stauchung in der Zugzone eine Biegung in der unbelasteten Achse (3), die sich entgegen der Biegung der belasteten Achse ausbildet. Das Resultat ist eine unerwünschte sattelförmige Verformung (4).
Dieses Verformungsverhalten ist für die meisten Anwendungsgebiete der Sandwichbauweise nachteilhaft, da komplexere zweiachsige Krümmungen nicht zu erreichen sind.
Bei einer zweiachsigen Krümmung, bei der beide Krümmungsradien den Ursprung auf der gleichen Seite haben (z.B. 5), kommt es auf den jeweiligen Seiten zu den gleichen Spannungen in beiden Achsen. Die Unterseite wird aufgrund der beidseitigen Druckspannung in beiden Achsen gestaucht. Die Oberfläche müsste sich auf dieser Seite verkleinern (6). Die Oberseite wird aufgrund der beidseitigen Zugspannung in beiden Achsen gedehnt. Die Oberfläche müsste sich auf dieser Seite vergrößern (7).
Je größer die Höhe des Kernmaterials ist, desto größer ist auch die Flächendifferenz zwischen der Druck- und der Zugseite. Dem entsprechend vergrößern sich auch die Spannungen.
Die Honeycomb-Wabe hat strukturbedingt keine Möglichkeit, allseitig an Fläche zu gewinnen oder zu verlieren. In der Zugzone müsste sich die Seitenlänge und damit auch der Umfang der Wabe vergrößern (7) und in der Druckzone müsste er sich verkleinern (6). Die notwendige Steifigkeit des Strukturmaterials lässt eine derartige Spannungsverformung nicht zu, da die Funktion des Sandwichkernes in der Aufnahme von Druck- und Schubkräften liegt. Das Material darf also keinesfalls zieh- und stauchfähig konzipiert sein.
Zwängt man sie dennoch in eine solche zweiachsige Krümmung, so knickt die Wabenstruktur in unregelmäßigen Abständen ein. Eine saubere Rundung ist nicht zu erreichen.
2. Die Lösung/Die Zwölfeck-Struktur:
Das Problem der zweiachsigen Krümmung und der Verformbarkeit von Sandwichflächen kann durch eine neue Kernstruktur an Stelle der Honeycomb-Wabe gelöst werden.
Die Lösung besteht aus einer zweidimensional wiederholten Zwölfeck-Struktur, wobei in einem Zwölfeck (sofern keine Verformung besteht) die zwölf Seiten gleicher Länge abwechselnd drei Innenwinkel 120° und darauf folgend einen Innenwinkel 240° aufweisen (perspektivisch dargestellt in 13–14).
Die Gesamtstruktur ergibt sich aus mehreren dieser Zwölfecke, die durch Verschiebung (und nicht durch Drehung) aneinander gegliedert sind, wobei vom Mittelpunkt M eines Zwölfecks die Mittelpunkte der sechs Nachbar-Zwölfecke auf den Geraden liegen, die von M aus durch die drei von M am weitesten entfernten und die drei von M aus nächsten Ecken gehen.
Diese Zwölfeckstruktur kann bei Beibehaltung der Seitenlängen auf den gegenüberliegenden Seiten eines Sandwiches auf Verformungen frei reagieren, durch spannungsfreie, rein geometrische Veränderungen der Struktur, mit dem Gewinn an Fläche auf der einen Seite und dem Verlust an Fläche auf der anderen. Ebenso wie die Seitenlänge und der Umfang des Zwölfecks bleibt je nach Krümmung aber auch die Regelmäßigkeit des Musters auf beiden Seiten erhalten. Bei unregelmäßigen Verformungen reagiert das Zwölfeckmuster durch kontinuierliche Anpassung in den Winkeln des Zwölfecks und damit im Flächeninhalt der Zwölfeckstruktw.
In der Druckzone (z.B. in 5 die konkave Unterseite) kann die Struktur ohne eine Längenveränderung des Umfangs an Fläche verlieren (8).
Die Zugzone (z.B. in 5 die konvexe Oberseite) kann auf gleiche Weise durch rein geometrische Verformung an Fläche gewinnen (9).
In 10 ist die Flächendifferenz zwischen der Druck- und der Zugzone dargestellt. Die maximale Stauchung der Struktur ist erst dann erreicht, wenn die Innenecken aufeinander stoßen.
Im Allgemeinen gilt, je kleiner der Krümmungsradius und/oder je größer die Kernhöhe des Sandwiches ist, desto größer die geometrische Verformung der Struktur. Bei einer größeren Kernhöhe steigt folglich der Wert des minimal zu erreichenden Krümmungsradius.
Bei einer Kernhöhe von 5cm ist ein zweiachsiger Krümmungsradius von jeweils 30cm, unabhängig von der Seitenlängenskalierung der Zwöfeck-Struktur (der denkbare Bereich liegt zwischen 3-20mm) leicht zu erreichen. Entsprechende Modellversuche mit doppelwandigem 300g Papier haben das bereits erwiesen.
Bei der Herstellung im Modell haben sich bislang zwei Additionsmöglichkeiten bewährt um die Struktur zusammenzusetzen.

1. ist es möglich einzelne Zwölfecke anzufertigen und diese dann in der oben beschriebenen Anordnung zu addieren (11). Auf diese Weise erhält man einen einheitlichen, doppelwandigen Strukturaufbau. Folglich erreicht man ein äußerst homogenes Gefüge.
2. kann die Produktion mit der Zusammensetzung einzelner Streifen, die aus einer sich wiederholenden Anordnung von jeweils um 120° geknickten Seiten bestehen, wobei sich eine Wiederholungsfolge aus 2 konkaven, 3 konvexen, 2 konkaven und einer konvexen Knickrichtung ausbildet, erfolgen. Die einzelnen Streifen werden jeweils um die Hälfte der Breite eines Zwölfecks verschoben und aufeinander gesetzt (12).

Anwendungsbeispiele:
Die Zwölfeck-Kernstruktur kann als Sandwich überall dort eingesetzt werden, wo organische Formen modelliert werden müssen, die eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht erreichen sollen. Zum Beispiel im Flugzeugbau, insbesondere für die zweiachsig gekrümmte Nase, aber auch in der Architektur für organisch geformte Fassaden oder Dächer. Dort kann der Hohlraum der Struktur mit Dämmmaterial aufgefüllt werden. Im medizinischen Bereich könnte ein weiteres Anwendungsgebiet für die Struktur bestehen. Sie hat durch ihr geringes Gewicht und durch ihre Fähigkeit sich an sämtliche Körperteile anzupassen klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbänden und Prothesen orthopädischer Funktion.
Die Struktur ist in der Steifigkeit mit der Honeycomb-Wabe annähernd gleichzusetzen und könnte diese, aufgrund ihrer viel besseren Flexibilität, im Grunde ablösen. Ihre Skalierung in Höhe und Durchmesser ist je nach Anwendungsgebiet in verschiedenen Größen denkbar.
Als Material ist im Zusammenhang mit Faserverbundwerkstoffen Nomex^®-Papier sinnvoll, in dem Aramidfasern mit Phenolharz gebunden sind. Die Herstellung aus Blech ist ebenfalls denkbar und für Anwendungsgebiete geeignet, bei denen eine plastische Verformung erforderlich ist. Der Kern könnte so frei modelliert werden und sich bei der Verarbeitung selbst in Form halten.

Claims

Die Kernstruktur für die Sandwichbauweise, die zwischen zwei dünne Decklagen eingebracht ist und dort als Tragstruktur Druck- und Zugkräfte überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich aufgrund spannungsfreier, rein geometrischer Veränderung ihrer Struktur, flexibel in sämtlichen Richtungen einachsig und zweiachsig sowie konkav und konvex in beliebiger Addition der Krümmungen verformen lässt und dass sie aus einer zweidimensional wiederholten Zwölfeck-Struktur besteht, wobei a. in einem Zwölfeck (sofern keine Verformung besteht) die zwölf Seiten gleicher Länge abwechselnd drei Innenwinkel 120° und darauf folgend ein Innenwinkel 240° aufweisen, b. mehrere Zwölfecke durch Verschiebung (und nicht durch Drehung) hervorgehen und die Gesamtstruktur ergeben, wobei vom Mittelpunkt M eines Zwölfecks die Mittelpunkte der sechs Nachbar-Zwölfecke auf den Geraden liegen, die von M aus durch die drei von M am weitesten entfernten und die drei von M aus nächsten Ecken gehen.