Hierarchische thermoplastische Sandwichmaterialien für noch leistungsfähigeren Leichtbau

10. März 2020

Leichtbaumaterialien werden dort eingesetzt, wo hochwertige Produkte mit einem optimalen Verhältnis zwischen Festigkeit, Gewicht und Zuverlässigkeit gefragt sind. Dies betrifft beispielsweise den Flugzeug-, Fahrzeug-, Schiffs- sowie Containerbau oder die Herstellung von Windkraft-Rotorblättern. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die ThermHex Waben GmbH arbeiten jetzt gemeinsam an einer neuartigen grundlegenden Technologie. Sie setzen auf hierarchische Sandwichstrukturen bei denen die Deckschichten selbst wiederum Sandwichstrukturen sind, um den Leichtbau noch leistungsfähiger zu machen.

Wirkweise und Aufbau einer Sandwichstruktur mit Wabenkern

Sandwichstrukturen sind aktuell besonders effektiv beim Einsatz im Leichtbau und insbesondere für große, flächige Strukturen geeignet. Sie setzen sich aus einem leichten Kern und zwei festen dünnen Decklagen zusammen. Kunststoff-Sandwichstrukturen bestehen zumeist aus Wabenkern oder Polymerschaum und Deckschichten aus faserverstärkten Kunststoffen. Diese Kombination ermöglicht eine hohe Biege- und Beulsteifigkeit bei sehr geringem Gewicht. 

Das Fraunhofer IMWS und die ThermHex Waben GmbH, die kosteneffiziente Polypropylen-(PP-) Wabenkerne mit einem patentierten Produktionsverfahren herstellt, kooperieren zum Thema Leichtbau mit Sandwichmaterialien bereits seit Ende 2015. Im aktuellen Gemeinschaftsprojekt »HPHex - Grundlagenuntersuchung von thermoplastischen Leichtbau-Sandwichmaterialien aus hierarchisch aufgebauten Waben- und Decklagenstrukturen für hochbelastbare und kosteneffiziente Leichtbaustrukturen« werden Sandwichmaterialien mit neuartigen hierarchischen Strukturen untersucht, um eine signifikante Steigerung der mechanischen Performance zu ermöglichen. 

Mit den aktuell im Leichtbau verwendeten thermoplastischen Wabenkernen stehen bereits leistungsfähige und kostengünstige Kernmaterialien zur Verfügung. Hinsichtlich ihrer mechanischen Performance sind diese jedoch, insbesondere im Vergleich zu kostenintensiveren Wabenkernen, limitiert und kommen deshalb eher im Bereich von weniger belasteten Verkleidungs- und Interieurbauteilen zum Einsatz. An diesem Punkt setzt der innovative Ansatz der Kooperationspartner ThermHex Waben GmbH und Fraunhofer IMWS an. Sie wollen die bisher geringe Beulfestigkeit der dünnen thermoplastischen Wabenzellwände durch ein hierarchisches Materialdesign überwinden. Hierbei werden die Wabenzellwände jeweils selbst durch ein Wabensandwich gebildet und auf diese Weise die Stabilität des Wabenkerns bei gleichbleibendem oder sogar geringerem Gewicht deutlich vergrößert. Ebenfalls soll der Ansatz von hierarchisch strukturierten Deckschichten erforscht werden, die hinsichtlich Lastverteilung und Oberflächenqualität Vorteile bieten. Die Untersuchungen solcher Sandwichstrukturen lassen anschließend eine Beschreibung und Beurteilung weiterer physikalischer Eigenschaften zu. Die Projektpartner verfügen bereits über ein EUREKA-Label mit der Bezeichnung »Hierarchical Hexagonal Sandwich Honeycomb Core (HiHex)«. 

Projektleiter Dr.-Ing. Ralf Schlimper, der am Fraunhofer IMWS die Gruppe »Bewertung von Faserverbundsystemen« leitet, äußert sich zum Projektstart: »Wir freuen uns über eine weitere fruchtbare Zusammenarbeit mit der ThermHex GmbH und über die Auszeichnung mit dem EUREKA-Label. Gemeinsam können wir die Entwicklung kosteneffizienter und leistungsfähiger hierarchischer Sandwichstrukturen langfristig vorantreiben und koordinieren. Die neuartigen thermoplastischen Wabenstrukturen werden für einen hohen Automatisierungsgrad in der Herstellung und niedrige Materialkosten als Alternative zu den bisherigen kostenintensiven Bauweisen sorgen.« 

»Die Verbesserung von Materialeigenschaften, vor allem die Erhöhung der gewichtsspezifischen Eigenschaften durch eine hierarchische Strukturierung, ist ein Ansatz, der weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnt«, sagt Dr.-Ing. Jochen Pflug, Geschäftsführer der ThermHex Waben GmbH.