Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten sowohl Analysemethoden als auch Simulationsverfahren. Wissenschaftler der PTS in München und Heidenau und der TU Dresden haben hier jetzt für mehr Klarheit gesorgt. Im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), das vom AiF-Mitglied Papiertechnische Stiftung (PTS) koordiniert wurde, konnten Dipl.-Ing (FH) Johann Strauß, Dipl.-Ing. Benjamin Hiller und Dipl.-Ing Alexander Bugiel wesentliche Voraussetzungen schaffen, die Belastbarkeit solcher Leichtbaustrukturen zu verbessern.

Mit Simulationsmodell zum Erfolg

„Wir hatten uns vorgenommen, einen neuen papierartigen Werkstoff herzustellen, der im Flugzeugbau zum Einsatz kommen sollte.“, erklärt Strauß. „Dazu haben wir einen neuartigen, dreilagigen Werkstoff aus Aramid- und Carbonfasern konzipiert.“ Das Problem dabei: Für die Entwicklung des Werkstoffs mussten seine mechanischen Kennwerte bekannt sein. Mit den bis dahin bekannten Prüfverfahren konnten diese aber nicht ermittelt werden. Die Forscher entwickelten daher zunächst ein Messverfahren, mit dem sie die Druck- und Schubeigenschaften von papierartigen Werkstoffen bestimmen und papierartige Materialien vollständig charakterisieren konnten. „Das war die Grundlage für alle unsere Werkstoffentwicklungen.“, resümiert Hiller.

Da die standardmäßigen Werkstoffmodelle jedoch nicht ausreichten, um die mechanischen Eigenschaften von papierartigen Materialien korrekt zu simulieren, mussten die Wissenschaftler zudem ein Materialmodell für die Simulation der papierartigen Werkstoffe entwickeln. „Mit dem Simulationsmodell haben wir signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften gegenüber handelsüblichen Leichtbauwerkstoffen nachweisen können.“, freut sich Bugiel. „Die von uns entwickelten adaptierten Papiere eignen sich also hervorragend zur Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit von Sandwichstrukturen.“

Vielfältige Anwendungsfelder

Prof. Dr. Frank Miletzky, Geschäftsführer der PTS, ist sehr zufrieden mit den Ergebnissen. „Ein neuartiger Werkstoff, neuartige Prüfverfahren und ein neuartiges Simulationsmodell – dieses IGF-Projekt bietet all‘ das und ist ein echter Meilenstein. Insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) eröffnet es vielfältige, innovative Anwendungsfelder. Die KMU-basierten Branchen der Spezialpapiererzeugung, Designer und Konstrukteure profitieren gleichermaßen von den Forschungsergebnissen.“