EC! Heim:Artikel: Design: Kernverbundstrukturen
Aktualisiert: 13.01.21
Von:Chris Rogers
Was ist „Sandwichbauweise“?
Einer der größten Vorteile („Superkräfte!“) von Verbundwerkstoffen ist die Möglichkeit, „Kerne“ zu verwenden, um eine Struktur mit variabler Dichte über die Dicke hinweg zu erzeugen. Wenn man über das Biegen eines Materialstücks nachdenkt, ist es intuitiv, dass dickere Stücke desselben Materials beim Biegen steifer sind als dünnere. Das Problem bei dicken Dingen ist, dass sie schwer sind – und nur das Material an den Rändern trägt beim Biegen eine große Zug- oder Druckbelastung. Mit Kernen können Sie das mittlere Stück durch ein viel leichteres Material ersetzen, das nur dazu dient, Scher- und Druckbelastungen zwischen den Oberflächen zu übertragen (auch bekannt als „Häute“, „Deckschichten“). Dieser Kern hält die Seiten auseinander und verhindert, dass sie aneinander vorbeirutschen. Dies wird als „Sandwich-Konstruktion“ oder „Kernkonstruktion“ bezeichnet, da die dünnen Verstärkungsschichten ein dickeres und viel leichteres Kernmaterial „sandwichen“. Auf diese Weise erhalten Sie die Steifigkeit eines dicken Stücks mit dem Gewicht eines dünnen Stücks!
Sie können sich eine Verbundkernplatte in einer Achse wie einen I-Träger vorstellen. Der Steg des I-Trägers dient dazu, die Flansche auseinanderzuhalten und zu verhindern, dass sie aneinander vorbeirutschen. Bei der Sandwichbauweise in Verbundwerkstoffen dient der Kern als „Steg“ der Verbundstruktur.
Bei einem Paneel erfolgt dies über eine Fläche und nicht über eine einzelne Achse wie bei einem Balken. Da es so viele Variablen gibt, kann es schwierig sein, Verbundplatten zu konstruieren. Kerne weisen vielfältige Scher- und Kompressionseigenschaften auf. Hautdicke, Faserorientierung und Materialtyp spielen alle eine wichtige Rolle für die Eigenschaften der Platte als Ganzes. Darüber hinaus ist es manchmal eine Herausforderung, die Haut mit dem Kern mit viel geringerer Dichte zu verbinden!
In diesem Artikel geht es um die Kerngrundlagen und darum, wie man Kernverbundkonstruktionen auf eine Art und Weise ohne Mathematik betrachten kann.
Warum Core?
Hier sind zwei Panels aus der Materialbibliothek (#7Und#10). Sie bestehen beide aus E-Glas und Epoxidharz. Sie wiegen ungefähr gleich viel. Der eine hat einen Kern, der andere nicht.
Ich habe auf beide ein großes, schweres Stück Aluminium gelegt, als sie an ihren Kanten gestützt wurden. Das einschalige Paneel gab sich stark durch, das Kernpaneel dagegen nicht. Klar, es hat ein wenig nachgegeben – aber das konnte ich nicht sehen!
Diese Platten verdeutlichen die enormen Vorteile der Sandwichbauweise für Verbundplatten. Wenn die Fähigkeit, die Bewehrung in jede gewünschte Richtung zu richten (anisotrop), die Superkraft Nr. 1 der Verbundwerkstoffe ist, dann ist die Superkraft Nr. 2 die Fähigkeit, die Strukturelemente mithilfe eines leichten Kerns bis zum Rand dicker Platten herauszudrücken. Der Kern ermöglicht so viele der hohen Festigkeits-/Gewichtsvorteile von Verbundwerkstoffen!
Mehr Steifigkeit, nicht viel mehr Gewicht
Stellen Sie sich vor, wir hätten eine einschalige Platte – 1/4″ (6 mm) Harz und gewebtes E-Glas. Es ist schwer und stark, aber nicht besonders steif. Folgendes passiert mit der Steifigkeit dieses Panels, wenn wir es in zwei 1/8″ (3 mm) dicke Häute teilen und etwas Kern in die Mitte legen. Die Steifigkeit nimmt mit zunehmender Dicke deutlich zu. Die Verdoppelung der Dicke der Platte mit 1/4″ (t=.25) Kern führt zu einer Platte, die siebenmal steifer ist! Hier ist eine Grafik:
Nun, die Steifigkeit ist großartig und so, aber die wirkliche Großartigkeit zeigt sich, wenn wir uns auch das Gewicht ansehen. Mit zunehmender Dicke steigt auch das Gewicht einer einschaligen Platte – im Verhältnis 1:1. Bei einer Kernplatte geht diese zusätzliche Dicke nur auf Kosten des Kerngewichts – und Kerne sind normalerweise sehr leicht!
Eine typische Dichte für E-Glas/Epoxid-Laminat könnte 1600 kg pro Kubikmeter betragen. Für einen Schaumstoffkern sind 80–200 kg pro Kubikmeter ziemlich normal. Der Kern macht nur einen winzigen Bruchteil der Dichte aus und kann dennoch so konstruiert werden, dass er die erforderliche Druck- und Scherfestigkeit bietet, um sehr dünne Verstärkungshäute dort zu halten, wo sie hingehören.
Hier ist ein Diagramm für dasselbe Beispielpaneel, in dem das Gewicht eines Kernpaneels mit dem eines einschaligen Paneels gleicher Dicke verglichen wird. Die 1/4 Zoll dicke Grundplatte wiegt 1 Einheit. Bei einer Dicke von 1/2 Zoll wiegt die massive Platte 2 Einheiten, während die Kernplatte nur 1,1 Einheiten wiegt (unter der Annahme, dass der Kern 1/10 der Dichte des massiven Laminats beträgt). Wenn man dies mit dem Steifigkeitsdiagramm oben für dasselbe Material vergleicht, kann man leicht erkennen, wie schnell Kernplatten beeindruckende Steifigkeits-Gewichts-Verhältnisse erreichen.
Bei den Paneelen auf den Bildern im letzten Abschnitt – denen mit dem großen Aluminiumblock, der sie biegt – ist das Kernpaneel (1/16″-Häute auf 3/8″-Kern) etwa 40-mal steifer als das einzelne 1/8-Hautpaneel ″ dicke Platte. Nicht schlecht für das gleiche Gewicht!
Warum NICHT Core?
Es ist nicht alles Sonnenschein! Kerne bringen zahlreiche zusätzliche strukturelle und fertigungstechnische Herausforderungen für Ihr Teil mit sich. Bei einigen Arten von Strukturen sind sie problematischer als sie wert sind, und ein dickeres Einzelhautpaneel oder ein mit Strukturelementen wie Rippen, Stringern und Schotten verstärktes Paneel ist möglicherweise die bessere Wahl.
Einer der großen Nachteile des Kerns besteht darin, dass die Deckschichten oder Häute dünn und anfällig für Beschädigungen und Delaminierung sind. Im Falle eines Aufpralls kann der Kern eingebeult werden und sich von der Haut lösen, oder schlimmer noch, die Haut kann brechen und den schwachen Kern freilegen, der nur durch die verbleibende Haut gestützt wird. Manchmal kann ein solcher Ausfall katastrophal sein und zu einer schnellen Ausbreitung des Schadens unter Belastung oder Biegung führen. Sobald sich eine Haut vom Kern löst, werden die Scherkräfte nicht mehr übertragen und das Laminat verliert seine Steifigkeit.
Kernstrukturen sind auch komplizierter zu bauen. Die Detaillierung des Kerns um Gelenke und Löcher herum führt zu nicht offensichtlichen Belastungsbedingungen, da Spannungen in den Schalen auf weniger elegante Weise zusammenkommen. Es ist besonders darauf zu achten, dass die Kanten abgedeckt oder mit Flanschen verstärkt werden. Die Kernverklebung kann problematisch sein, da die Gefahr von Hohlräumen oder unverbundenen Zonen besteht. Bei Schäumen, Hölzern und Wabenstrukturen gibt es Bereiche, in denen etwas schief gehen kann, und es ist nicht immer einfach, die Probleme ohne umfangreiche zerstörende oder zerstörungsfreie Prüfungen zu erkennen.
Das ist also nur ein kleiner Überblick über die potenziellen Probleme, die Kerne zusammen mit dem geringen Gewicht und der extremen Steifigkeit mit sich bringen. Wie immer bei Verbundwerkstoffen – kein kostenloses Mittagessen!
Verschiedene Kernmaterialien
Wenn es um die Auswahl eines Kerns geht, haben Sie eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Es stehen nicht nur unterschiedliche Materialien zur Verfügung, sondern für jedes Material ist auch eine große Vielfalt an Dichten üblich. Schaumstoffe, die als Kerne verwendet werden, haben eine Dichte von nur 30 kg pro Kubikmeter und reichen bis zu 200 kg pro Kubikmeter und mehr. Waben sind sogar noch komplizierter, da sie Dichte, Zellgröße UND die Ausrichtung des Materials berücksichtigen müssen. Mehr zur Wabe später. Für den Anfang sind hier einige Bilder der Kernmaterialien, die wir besprechen werden:
Hirnholzbalsa ist einfach das Holz eines Balsabaums, das in dünne Scheiben geschnitten und nebeneinander angeordnet wird. Die Maserung des Holzes verläuft in Dickenrichtung für maximale Druckfestigkeit. Balsaholz wird nach der Dichte des Holzes selbst klassifiziert. Es ist in konturgeschnittenen Platten erhältlich, die aus kleinen Blöcken bestehen, die auf ein Gelege geklebt sind (für gekrümmte Oberflächen), oder in massiven Platten, bei denen die kleinen Blöcke an den Kanten zu einer Platte zusammengeklebt werden.
Nomex-Waben bestehen aus Aramidpapier (Nomex ist eine Marke von DuPont – die Verwendung ist jedoch etwas allgemein gehalten), auf das in strategisch platzierten Streifen Harz aufgetragen ist. Breite Blätter dieses teilweise geleimten Nomex-Papiers werden gestapelt und zusammengepresst. Wenn der Kleber ausgehärtet ist, werden die Platten wieder auseinandergezogen („ausgedehnt“), wobei die verklebten Oberflächen jeder benachbarten Platte haften bleiben und eine sechseckige Wabenzellenform bilden. Die zusammengeklebten Kanten sind gedoppelt – und alle parallel, sodass die Scherfestigkeit in dieser Richtung viel höher ist. Dies wird als „L“- oder „Band“-Richtung bezeichnet. Die andere (90 Grad von „L“) wird als „W“-Richtung bezeichnet. Anschließend wird das Wabenpapier in ein Phenolharz getaucht und dieses Harz aushärten gelassen, bevor der Wabenblock in Blätter geschnitten wird. Die Dichte wird durch die Dicke des Papiersubstrats und die Menge an Harz gesteuert, mit der die Wabe nach dem Ausdehnen beschichtet wird.
Gurit Corecell M-Foam ist ein SAN-Schaum (Styrol-Acrylnitril) und DIAB Divinycell H ist ein PVC-Schaum (Polyvinylchlorid). Beide sind sehr verbreitete Materialien und bieten ähnliche Eigenschaften. Das ist keine Wissenschaft, aber ich habe das Gefühl, dass die Divinycell zwar mechanisch etwas besser, die Corecell aber robuster ist. Sicherlich fühlt es sich so an, wenn man mit ihnen umgeht. Meiner Erfahrung nach werden sie bei ähnlichen Dichten häufig austauschbar verwendet. Der Corecell M-Schaum kann erfolgreich mit bei niedriger Temperatur aushärtenden Prepregs verwendet werden, obwohl er im Vergleich zu Schäumen mit höherer Leistung (PEI oder PMI – wie Rohacell) nicht sehr formstabil ist.
Weitere Kernbeispiele finden Sie unterKernmaterialreferenzim Abschnitt „Materialbibliothek“.
Mechanische Eigenschaften von Kernmaterialien
Kernmaterialien sind im Wesentlichen zwei Arten von Belastungen ausgesetzt: Druck und Scherung. Druckbelastungen drücken den Kern zusammen und versuchen ihn zu zerdrücken. Diese entstehen durch Druck und Stöße von außen, vor allem aber dadurch, dass die beiden Schalen näher zusammenrücken „wollen“, wenn auf die Platte als Ganzes Biegekräfte einwirken. Scherbelastungen werden durch den Unterschied in den Zug- und Druckflächen verursacht – der Druck, der versucht, eine Haut von der anderen zu schieben. Hier ist ein Bild:
Das Paneel ist zunächst ohne Biegelast belastet. Wenn der Pfeil nach unten geht und das Sandwichpaneel biegt, wird die untere Haut „aufgefordert“, länger zu werden, und die obere Haut „aufgefordert“, kürzer zu werden. Der Kern steht dort unter Druck, wo die drei Zylinder auf der Platte aufliegen. Der Kern wird auf der Oberhaut zur Mitte „eingezogen“ und auf der Unterhaut „herausgezogen“. Dieser Richtungsunterschied von oben nach unten wird als „Scherbelastung“ bezeichnet. Die Last versucht, den Kern in verschiedene Richtungen entlang der Häute gleiten zu lassen. Die Haut-Kern-Verbindung muss dieser Scherbelastung standhalten können, und der Kern selbst muss einer Spaltung parallel zu den Schalen standhalten. Hier ist die Belastung für die Unterhaut zu groß und diese verliert an Spannung. Auch der Kern spaltet sich, weil er mit der Unterhaut verklebt war. Jetzt biegt sich das gebrochene Paneel immer noch, aber die Scherung wirkt nur noch in der viel flexibleren Oberhaut.
Dabei handelt es sich nicht um ein realistisches Szenario, sondern lediglich um die Art der Druck- und Scherbelastungen zu erklären, denen Kernmaterialien ausgesetzt sind. Ich werde daran arbeiten, dies besser zu veranschaulichen. Schauen wir uns nun einige Materialien an, die üblicherweise für Kerne verwendet werden, und überprüfen wir ihre relativen mechanischen Eigenschaften:
Warum sollten Sie nun Schaumstoff verwenden, wenn die Druckfestigkeit von Nomex und Balsa so viel besser ist? Nun, die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass Sie für die meisten Dinge nicht so viel Druckfestigkeit benötigen. Wenn es nicht notwendig ist, warum sollte man dann mehr bezahlen (oder mehr wiegen)? Schäume verkraften Stöße auch sanfter und weisen bei der Verarbeitung keine so große Variabilität auf wie Balsa – und können mit einfacheren Herstellungsverfahren als Waben verwendet werden.
Und auch hier kann man anhand der Scherung erkennen, dass das Nomex in der „L“-Richtung aufgrund seiner Dichte ziemlich beeindruckend ist. Aus diesem Grund findet man Waben (Aluminium ist noch besser) in Flugzeugen, Rennwagen und Booten und allen möglichen anderen Gegenständen, die schnell, leicht und ... nicht billig sind! Die Verarbeitung von Waben erfolgt fast immer mit Prepregs, was den Herstellungsprozess enorm kostspielig und komplexer macht. Für einige Hochleistungsprojekte lohnt es sich, aber in den meisten Situationen ist es das Geld nicht wert.
Einen Ausgleich schaffen
Sie sehen also, wie großartig sich Kerne für die Herstellung wirklich steifer Leichtbau-Verbundstrukturen eignen. Aber wie gestaltet man eine erfolgreiche Fertigung und nutzt die mechanischen Eigenschaften aus, ohne auf andere Probleme zu stoßen? Die Konstruktion von Kernverbundstrukturen ist kein einfacher Prozess. Ich bin nicht in der Lage, es mit technischer Genauigkeit zu erklären – ich werde jedoch versuchen, grundlegende Themen und Kompromisse abzudecken. Schauen wir uns einfach die kernbezogenen Überlegungen an, ohne dass Zahlen oder Formeln beigefügt sind …
Ihr Ziel besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen dem Kern und den Schalen herzustellen, damit das Laminat als Ganzes das tut, was es tun soll. Die Festigkeit, Steifigkeit und Dicke der Haut stehen im Verhältnis zur Festigkeit und Dichte des Kerns (Druck und Scherung), wenn die Platte Belastungsbedingungen ausgesetzt wird. Unterschiedliche Bedingungen stellen an verschiedene Teile der Struktur mehr oder weniger hohe Anforderungen. Ihre Verbundplatte muss sowohl den Anforderungen der gesamten Struktur als auch der lokalen Platte gerecht werden. Beispielsweise muss ein Boot die Last der Motoren (oder Segel) bewältigen, die das Ganze vorwärtstreiben, was ein globales Lastproblem darstellt, und gleichzeitig muss der Boden des Bootes die Lasten durch Aufprall aufnehmen und übertragen Auf und ab auf Wellen. Das Deck des Bootes muss den Stößen von Menschen standhalten, die herumlaufen (und in High Heels feiern?). In einer Situation wird die Struktur als Ganzes belastet – Biegen, Verdrehen – das große Ganze. Die anderen Stellen laden lokal auf Bereiche der Kernplatten auf. Beide Voraussetzungen müssen erfüllt sein.
Die andere Art von Harmonie muss innerhalb des Panels selbst erreicht werden. Wenn Sie sehr leichte Felle auf einem dicken Kern mit hoher Dichte haben, brechen oder knicken die Felle ein, lange bevor der Kern überhaupt anfängt, seine Beine auszustrecken – Sie tragen also unnötiges Gewicht mit sich herum. Wenn Sie andererseits dicke Carbonhäute auf einer leichten Wabe haben, könnte der Kern zerdrücken/scheren/zerfallen, bevor die Häute auch nur einen kleinen Bruchteil ihres Potenzials in einer Biegesituation absorbieren. Dieses Gleichgewicht kann aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an eine Struktur schwer zu erreichen sein, aber im Allgemeinen sollte der Kern mit zunehmender Dicke der Häute dichter werden. Bedenken Sie, dass viele Strukturen mit unterschiedlichen Kerndichten und sogar unterschiedlichen Typen in einem einzigen Paneel oder Teil gebaut werden. Manchmal wird der Kern in stark belasteten oder mechanisch befestigten Bereichen vollständig eliminiert.
Globale Strukturbelastungen gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus. In vielen Fällen erfüllt ein Kernpaneel diese Anforderungen automatisch, indem es einfach steif genug ist, um lokalen Plattenlasten standzuhalten. Für stark oder „kompliziert“ belastete Teile und Baugruppen ist ernsthaftes Engineering erforderlich. Wenn Sie Zweifel haben, wenden Sie sich an einen mit Verbundwerkstoffen erfahrenen Statiker, der Ihnen weiterhilft.
Testpanels
Eines der nützlichsten Dinge, die Sie tun können, wenn Sie eine Verbundstruktur (insbesondere eine mit Kern) entwerfen, ist die Herstellung von Testplatten. Wenn Sie mit Materialdatenblättern und Formeln arbeiten, steht Ihnen noch eine große Hürde bevor: „Kann das so gemacht werden und wie wird es tatsächlich funktionieren?“. Die Erstellung von Testpanels ist eine großartige Möglichkeit, die Theorie anhand der Realität zu validieren. Flache Paneele sind einfach herzustellen und können als Streifen getestet werden, um lineare Eigenschaften (Balkenstil) zu erhalten, und auch als Paneele mit mehrachsigen Eigenschaften. Dinge wie Kernscherung und -kompression, Verhältnisse von Hautdicke zu Kerndicke und Haut/Kern-Verbindungen können experimentell getestet werden, um sicherzustellen, dass sich hinter einer Annahme oder einer vorgeschlagenen Herstellungsmethode keine großen „Ups“ verbergen. Manchmal ist es notwendig, Kernplatten zu „zerlegen“, indem man nur Proben von Hautlaminat testet, um ihre Eigenschaften zu validieren, und dann die kernbezogenen Tests separat zu betrachten.
DerLaminatprobenAbschnitt der EG! Die Materialbibliothek ist voll von Beispielen für Testplatten. Durch einfaches Schneiden von Streifen verschiedener Proben und Biegen (und Brechen!) erhalten Sie ein Gefühl dafür, was Sie haben und wie es in der Praxis funktionieren wird. Indem Sie mit einem Hammer auf Proben schlagen oder Gewichte darauf fallen lassen, können Sie erkennen, wie sich unterschiedliche Hautdicken und Kernmaterialien bei Beschädigung verhalten. Es macht auch Spaß!
Denken Sie daran, dass es auch bei einem nicht wissenschaftlich erscheinenden Ansatz (Hämmer, Zerbrechen von Proben mit den Händen usw.) sinnvoll ist, so viel Kontrolle wie möglich anzuwenden, um Variablen zu eliminieren. Behandeln Sie jede Probe gleich – schneiden Sie Streifen mit der gleichen Breite und Ausrichtung, lassen Sie das Gewicht aus der gleichen Höhe fallen, halten Sie die Platte bei jedem Test auf die gleiche Weise … Sie betreiben immer noch Wissenschaft, auch wenn Sie keine numerischen Daten generieren !
Abhängig von Ihren technischen Fähigkeiten und Ihrem Zugang zu Testgeräten können Sie damit verrückt werden – und in vielen Situationen ist dies völlig angemessen. Vorausgesetzt, Sie sind mit Ihren Annahmen zufrieden, wird die Zeit und das Geld, die Sie für das Testen aufwenden, selten verschwendet. Es ist sehr entmutigend, etwas Großes und Teures zu bauen und es dann wegwerfen oder ernsthafte Änderungen vornehmen zu müssen, weil man nicht von Anfang an die grundlegende Technik verstanden hat. Ich habe es schon einmal gesagt und ich sage es noch einmal: Holen Sie sich im Zweifelsfall professionelle Hilfe! Oder kopieren Sie zumindest von Anfang an jemand anderen, der ein ähnliches und erfolgreiches Produkt gebaut hat.
Fehlermodi – und was sie bedeuten
Dieser Teil wird demnächst mit Bildern und einem Video darüber geschrieben, weil es wirklich einfacher zu sehen ist.
Kernkonzepte
Ich hoffe, Sie nehmen zumindest diese drei Dinge aus dieser Übersicht mit:
- Die „Sandwichkonstruktion“ mit Kern eignet sich hervorragend für die Herstellung leichter und steifer Platten. Es ist vielleicht der beste Weg, den es gibt!
- Die Kerneigenschaften müssen mit den Eigenschaften des Hautlaminats in Einklang gebracht werden, um ein Paneel zu schaffen, bei dem alles harmonisch ist.
- Machen Sie Testpanels! Brechen Sie sie wie ein Wissenschaftler.
Und Nummer vier: Holen Sie sich qualifizierte und erfahrene Hilfe bei der Gestaltung anspruchsvoller Verbundwerkstoffstrukturen. Wenn Leute damit fahren, darunter laufen oder sich verletzen, wenn es versagt – es ist super wichtig, es richtig zu machen!
Zusätzliche Ressourcen
Bitte senden Sie mir alle Links zu Ressourcen, die Ihrer Meinung nach hier enthalten sein sollten. Danke!
