DE10018035A1 - Core material for sandwich structures, in particular, light weight structures incorporates channels whose orientation, number and thickness are optimized for a particular application - Google Patents

Abstract

The core material (1) for sandwich structures, in particular, light weight structures of motor vehicle bodywork, boats and aircraft incorporates channels (2) whose orientation, number and thickness are optimized for a particular application. These channels accommodate fiber strings (3) which after subsequent processing serve for production of force bonded joints with the cover elements of the sandwich structure.

Description

Translated fromGerman

Stand der TechnikState of the art

Insbesondere bei Leichtbaukonstruktionen haben sich Sandwichkonstruktionen wegen ihrer hohen Steifigkeit durchgesetzt. Dabei kommt dem Kernwerkstoff eine besondere Bedeutung zu. Seine Aufgabe besteht im wesentlichen darin, die Deckschichten so zu verbinden, daß sich der Abstand der Deckschichten unter Belastung der Sandwichkonstruktion möglichst wenig verändert und dabei die Verschiebung der Deckschichten zueinander so gering wie möglich ist. Beim Stand der Technik wird der ausreichenden Verschiebefestigkeit nicht genug Bedeutung beigemessen.Especially with lightweight constructionsSandwich constructions because of their high rigidityenforced. The core material comes with a special oneMeaning too. Its main task isto connect the cover layers so that the distance of theCover layers under load on the sandwich constructionchanged as little as possible while shifting theCover layers to each other is as small as possible. At the booththe technology does not provide sufficient resistance to displacementattached enough importance.

Bisher angewandte Konstruktionen aus Hartschaumstoff, Abstandsgewebe, Waben aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff, Hirnhölzer oder Röhren- und Stegkonstruktionen haben den Nachteil, daß ihre Hauptkraftaufnahmerichtungen senkrecht oder parallel zur Deckschicht verlaufen. Um eine optimale Steifigkeit zu erzielen, sind jedoch zusätzliche, auf die zu erwartende Belastung orientierte Kraftaufnahme­richtungen wesentlich effektiver.Previously used constructions made of rigid foam,Spacer fabric, honeycomb made of metal or fiber reinforcedPlastic, end grain or tube and bridge constructionshave the disadvantage that their main force directionsrun perpendicular or parallel to the top layer. To oneAchieving optimal stiffness are, however, additionalthe expected load-oriented force absorptiondirections much more effective.

Bei Kernkonstruktionen die ganz oder zum Teil aus faser­verstärkten Kunststoffen bestehen, erhöhen alle Faseranteile, die nicht optimal in Hauptkraftaufnahmerichtung liegen, unnötig das Gewicht.In the case of core constructions made entirely or partially of fiberreinforced plastics, increase all fiber shares,which are not optimally in the main force direction,the weight unnecessarily.

Gleichzeitig sollte die Schlagfestigkeit und das Arbeits­aufnahmevermögen senkrecht zur Deckschicht, durch eine hohe Flexibilität des Kernwerkstoffes, möglichst groß sein.At the same time, the impact resistance and work shouldabsorption capacity perpendicular to the top layer, due to a highFlexibility of the core material, as large as possible.

Kernmaterialien aus Waben oder wabenähnlicher Struktur können die senkrecht auf die Deckschichten wirkenden Kräfte gut aufnehmen, knicken jedoch bei Überbelastung, da ihre Flexibilität, auf Grund der fest miteinander verbundenen Stege, zu gering ist. Außerdem weisen diese Kernmaterialien oft eine schlechte sphärische Verformbarkeit auf.Core materials made of honeycomb or a honeycomb-like structure can the forces acting perpendicularly on the cover layers are goodpick up, but buckle when overloaded, because theirFlexibility, due to the firmly connectedWebs that is too low. They also have core materialspoor spherical deformability.

Ein Hauptproblem bei Sandwichkonstruktionen stellt die Delaminierung der Deckschichten vom Kernwerkstoff dar. Speziell Kernwerkstoffe aus Hartschaumstoff und Waben neigen zur Delaminierung. Zusätzlich kommt es bei Hartschaumstoffen durch auftretende Zugkräfte zur Aufspaltung des Kernwerk­stoffes.A major problem with sandwich constructions is theDelamination of the cover layers from the core material.In particular, core materials made of rigid foam and honeycomb tend tofor delamination. It also occurs with rigid foamsdue to tensile forces to split the core plantfabric.

Alle Kernmaterialien die größere an die Deckschichten angrenzende Hohlräume aufweisen, besitzen den Nachteil, daß
All core materials which have larger cavities adjacent to the cover layers have the disadvantage that

• - Klebstoffnester in den Hohlräumen zusätzliches Gewicht bilden- Adhesive nests in the cavities additional weightform
• - das Verkleben unter Vakuum schwierig ist- bonding under vacuum is difficult
• - die Aushärtung einer Polyesterharzmatrix durch Lufteinschlüsse erschwert wird- The curing of a polyester resin matrixInclusion of air is difficult
• - sich bei Beschädigung der Deckschicht, Flüssigkeiten ansammeln können- If the cover layer is damaged, liquidscan accumulate

Problemproblem

Gegenstand der Erfindung ist ein leichter Kernwerkstoff, der eine sehr hohe Steifigkeit der Sandwichkonstruktion bewirkt, der trotzdem flexibel auf Punktbelastung reagiert, der partiell unterschiedliche mechanische Eigenschaften, deren Übergänge gleitend verlaufen können, aufweisen kann, der dementsprechend eine optimale Ausrichtung aller Fasern der Verstärkungsstege ermöglicht, der eine sehr hohe Adhäsionskraft seiner Stege an den Deckschichten aufweist, der eine hohe Druckfestigkeit beim Verkleben der Deckschichten unter Pressdruck besitzt, der außerordentlich geringe, für Flüssigkeiten zugängliche Hohlräume aufweist, der eine einfache Verarbeitungsfähigkeit im Vakuumverfahren und bei sphärischer Verformung aufweist.The invention relates to a light core material whichvery high rigidity of the sandwich construction,who still responds flexibly to point loads, whopartially different mechanical properties, theirTransitions can run smoothly, can haveaccordingly an optimal alignment of all fibers of theReinforcing bars allows a very highAdhesive force of its webs on the outer layers, thehigh compressive strength when gluing the top layersunder pressure, which is extremely small, for Liquids accessible cavities, the oneeasy processing in the vacuum process and athas spherical deformation.

Die ErfindungThe invention

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Kernwerkstoff vorliegender Problemstellung dadurch erreicht, daß als Ausgangsmaterial ein sphärisch verformbarer geschlossenporiger Hartschaumstoff ausreichender Druckfestigkeit verwendet wird, in den eine Vielzahl von Kanälen je nach Hauptbelastungsrichtungen in unterschiedlicher Ausrichtung, Anzahl und Dicke schräg zur Deckschicht eingebracht sind und in die Faserstränge eingebracht sind, welche die Deckschichten auf direktem Weg in den gewünschten Winkeln verbinden und welche ausreichend aus dem Hartschaumstoff überstehen, um eine optimale Adhäsion nach der Tränkung und Verklebung mit den Deckschichten zu ermöglichen.According to the invention, this is the case with a core materialProblem achieved in that as a starting materialspherically deformable closed-pore rigid foamsufficient compressive strength is used in the oneVariety of channels depending on the main load directions indifferent orientation, number and thickness at an angleCover layer are introduced and in the fiber strandsare introduced, which cover layers directly inconnect the desired angles and which ones are sufficientprotrude from the rigid foam to ensure optimum adhesionthe impregnation and gluing with the cover layersenable.

Vorteilhafte Wirkungen der ErfindungAdvantageous effects of the invention

Eine neue Eigenschaft des erfindungsgemäßen Kernwerkstoffes ist, daß man durch gezielte Änderungen der Ausrichtung, Dicke und Häufung der Kanäle der Sandwichkonstruktion partielle Änderungen seiner mechanischen Eigenschaften wie beispiels­weise richtungsabhängige oder partielle Festigkeitswerte geben kann.A new property of the core material according to the inventionis that through targeted changes in orientation, thicknessand accumulation of the channels of the sandwich construction partialChanges in its mechanical properties such asgive wise directional or partial strength valuescan.

Bei der Herstellung anderer Kernwerkstoffe läßt sich eine derartige Anforderung kaum realisieren.One can be used in the manufacture of other core materialshardly realize such requirement.

Es ist vorteilhaft, daß bei einem erfindungsgemäßen Kernwerkstoff unter normaler Druckbelastung die Stege nicht nachgeben, sich aber bei Überbelastung durchbiegen können, da die einzelnen Stege nicht untereinander verbunden sind. Bei Konstruktionen aus untereinander verbundenen Stegen (z. B. Waben) ist eine Durchbiegung oder Federwirkung bei senkrechter Druckbelastung nur sehr begrenzt möglich. Oft nimmt eine solche Konstruktion bei Überbelastung Schaden.It is advantageous that in an inventiveCore webs under normal pressure load not the websgive way, but can bend if overloaded, becausethe individual webs are not interconnected. At Constructions from interconnected webs(e.g. honeycomb) is a deflection or spring effectvertical pressure load only possible to a very limited extent. OftenSuch a structure is damaged if it is overloaded.

Durch die Ausrichtung der Stege in verschiedenen Winkeln zur Deckfläche wird die Verschiebefestigkeit der Deckschichten zueinander wesentlich verbessert, was eine deutlich höhere Steifigkeit der Sandwichkonstruktion, im Gegensatz zu senkrecht ausgerichteten Stegen, bewirkt.By aligning the webs at different anglesCover surface is the resistance to displacement of the cover layerssignificantly improved to each other, which is a significantly higherStiffness of the sandwich construction, as opposed tovertically aligned webs.

Auf Grund der genauen Faserausrichtung in den Kanälen entstehen Stege sehr hoher Reißlänge und einem abhängig vom Fasermaterial (z. B. Kohlenstoffasern) sehr hohen spezifischen Elastizitätsmoduls. Dadurch wird eine Kombination von sehr hoher Druckfestigkeit und ausgezeichneter Elastizität des Kernmaterials erreicht.Due to the exact fiber alignment in the channelsthere are webs of very high tear length and depending on theFiber material (e.g. carbon fibers) very high specificModulus of elasticity. This will be a combination of veryhigh compressive strength and excellent elasticity of theCore material reached.

Vorteilhaft für die Adhäsion der Stege mit den Deckschichten ist, daß die Matrix der Stege und die Klebematrix aus dem gleichen Material bestehen und in einem Arbeitsgang aushärten. Damit wird der Delaminierung und einem Aufspalten des Kernmaterials entscheidend entgegengewirkt.Advantageous for the adhesion of the webs with the cover layersis that the matrix of the webs and the adhesive matrix from theconsist of the same material and harden in one operation.This will delaminate and split theCore material decisively counteracted.

Kernmaterialien wie Waben oder unverstärkte Hartschaumstoffe haben große Probleme mit der Delaminierung der Deckschichten.Core materials such as honeycombs or unreinforced rigid foamshave great problems with delamination of the top layers.

Da die Stegelemente erst während der Verarbeitung mit Matrix gebildet werden, ist im Gegensatz zu Waben eine gute sphärische Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Kernmaterials gewährleistet.Since the web elements only work during processing with the matrixunlike honeycombs, is a good onespherical deformability of the core material according to the inventionguaranteed.

Bei einem erfindungsgemäßen Kernwerkstoff fixiert der Hartschaumstoff die Faserbündel und hält sie während der Verarbeitung mit Matrix in ihrer Position. Eine Verarbeitung des Kernmaterials unter Belastung (z. B. Vakuum) ist gegenüber Abstandsgeweben problemlos möglich.In the case of a core material according to the invention, theRigid foam holds the fiber bundle and holds it during theProcessing with matrix in their position. A processingof the core material under load (e.g. vacuum) is oppositeSpacer fabrics possible without any problems. 

Die Kanäle im Hartschaumstoff haben die vorteilhafte Eigenschaft, durch den Kapillareffekt die Tränkung der Fasern zu unterstützen.The channels in the rigid foam have the most advantageousProperty, through the capillary effect, the impregnation of the fibersto support.

Gegenüber anderen Kernmaterialien wie z. B. offenen Waben oder Abstandsgeweben hat ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff den Vorteil, daß sich keine offenen Lunkern zur zusätzlichen Matrixaufnahme bilden (Gewichtsminimierung). Es ist auch gewährleistet, daß keine eingeschlossenen Luftpolster ent­stehen, welche die Aushärtung von Polyesterharzen behindern würden. Bei einer Beschädigung der Deckschichten kann kein Wasser in das Kernmaterial vordringen.Compared to other core materials such as B. open honeycomb orSpacer fabrics have a core material according to the inventionAdvantage that there are no open cavities for additionalForm matrix uptake (weight minimization). It is alsoensures that no enclosed air cushions entstand, which hinder the curing of polyester resinswould. If the cover layers are damaged, noPenetrate water into the core material.

Gegenüber unverstärkten Hartschaumstoffen als Kernmaterial kann wegen der erfindungsgemäßen Bearbeitung das spezifische Gewicht des Hartschaumstoffes drastisch gesenkt werden, da für die mechanischen Eigenschaften des Sandwichmaterials maßgeblich die Stege verantwortlich sind.Compared to unreinforced rigid foam as the core materialcan because of the processing according to the invention the specificWeight of the rigid foam can be drastically reduced because ofthe mechanical properties of the sandwich materialthe webs are largely responsible.

Beschreibung eines Weges zur Ausführung der ErfindungDescription of a way to carry out the invention

Der Kernwerkstoff (1) wird unter Zuhilfenahme einer Nadel durchstochen und dabei gleichzeitig der Faserstrang (3) in den entstandenen Kanal (2) eingeführt.The core material (1 ) is pierced with the aid of a needle and at the same time the fiber strand (3 ) is inserted into the channel (2 ) formed.

Abhängig von den auf das Sandwichmaterial einwirkenden Kräften sind Neigungswinkel der Nadel zur Deckschicht von etwa 30° bis 90° sinnvoll. Bei der horizontalen Ausrichtung der Nadel sind uni-, bi-, und multidirektionale Kombinationen möglich. Mit einer computergesteuerten Maschine ist es möglich, die Nadel so zu führen, daß Werkstücke entstehen, die partiell unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, deren Übergänge gleitend verlaufen können.Depending on the forces acting on the sandwich materialare angles of inclination of the needle to the cover layer of about 30 ° to90 ° makes sense. When aligning the needle horizontallyuni-, bi-, and multidirectional combinations possible.With a computer controlled machine it is possible toGuide the needle so that workpieces are created that are partiallyhave different mechanical properties, theTransitions can run smoothly.

Nach Patentanspruch 1 werden die Faserstränge nach jedem Durchstechen abgeschnitten.According to claim 1, the fiber strands after eachPierced cut off. 

Nach Patentanspruch 2 wird eine Vernähmethode angewendet, die mit endlosen Fäden (4) arbeitet.According to claim 2, a sewing method is used, which works with endless threads (4 ).

Claims (3)

Translated fromGerman

1. Die Erfindung betrifft einen Sandwichkernwerkstoff, insbesondere für Leichtbaukonstruktionen im Karosserie-, Boots- und Flugzeugbau,dadurch gekennzeichnet, daß in den Kernwerkstoff (1) Kanäle (2) unterschiedlicher, auf den zu erwartenden Einsatz optimierter Ausrichtung, Anzahl und Dicke eingebracht sind, in denen Faserstränge (3) positioniert werden, die nach der späteren Verarbeitung mit Matrix eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Deckschichten des Sandwichmaterials ergeben.1. The invention relates to a sandwich core material, in particular for lightweight constructions in body, boat and aircraft construction,characterized in that channels (2 ) of different orientation, number and thickness optimized for the anticipated use are introduced into the core material (1 ), in which fiber strands (3 ) are positioned, which after the subsequent processing with matrix result in a non-positive connection between the cover layers of the sandwich material.2. Sandwichkernmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Faserstränge (3) als endlose Fäden(4) nicht nur einen sondern beliebig viele Kanäle des Kernwerkstoffes durchlaufen.2. sandwich core material according to claim 1, characterized in that the introduced fiber strands (3 ) as endless threads (4 ) pass through not only one but any number of channels of the core material.3. Sandwichkernmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Faserstränge aus unterschiedlichem Fasermaterial bestehen.3. sandwich core material according to claim 1 or 2,characterized,that the introduced fiber strands from differentFiber material exist.