Noppenwaben als neue Kernwerkstoffe für Leichtbauanwendungen

Napcores as new core material for lightweight applications

  • Sandwichstrukturen, bestehend aus zwei Decklagen und einem dazwischen liegenden Kernmaterial, stellen den Stand der Technik zur Herstellung von Bauteilen mit niedrigem Gewicht und hoher mechanischer Stabilität dar. Dabei werden im Luftfahrtbereich hauptsächlich Honeycombs aus Nomex®-Papier zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit guten FST-Eigenschaften (Fire Smoke Toxicity) verwendet. Für Anwendungen bei denen die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterials nicht im Vordergrund stehen, wie z.B. bei nichttragenden Verkleidungselementen, bieten textile Noppenwaben aufgrund niedriger Herstellungskosten und der Möglichkeit zur Integration verschiedener Funktionalitäten eine interessante Alternative zu Honeycombs. Textile Noppenwaben bestehen aus einer flächigen, mit Harz imprägnierten Maschenware, welche in einem ersten Schritt zu einer dreidimensionalen Noppenstruktur geformt und anschließend durch Härtung des Harzes stabilisiert wird. Aufgrund zahlreicher Freiheitsgrade, die sich aus der Wahl des Garn- und Matrixmaterials,Sandwichstrukturen, bestehend aus zwei Decklagen und einem dazwischen liegenden Kernmaterial, stellen den Stand der Technik zur Herstellung von Bauteilen mit niedrigem Gewicht und hoher mechanischer Stabilität dar. Dabei werden im Luftfahrtbereich hauptsächlich Honeycombs aus Nomex®-Papier zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit guten FST-Eigenschaften (Fire Smoke Toxicity) verwendet. Für Anwendungen bei denen die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterials nicht im Vordergrund stehen, wie z.B. bei nichttragenden Verkleidungselementen, bieten textile Noppenwaben aufgrund niedriger Herstellungskosten und der Möglichkeit zur Integration verschiedener Funktionalitäten eine interessante Alternative zu Honeycombs. Textile Noppenwaben bestehen aus einer flächigen, mit Harz imprägnierten Maschenware, welche in einem ersten Schritt zu einer dreidimensionalen Noppenstruktur geformt und anschließend durch Härtung des Harzes stabilisiert wird. Aufgrund zahlreicher Freiheitsgrade, die sich aus der Wahl des Garn- und Matrixmaterials, der Maschenbindung, sowie der Noppengeometrie ergeben, können die Eigenschaften dieses Kernmaterials in einem weiten Bereich variiert und das Kernmaterial für vielfältige Anwendungen gezielt angepasst werden. Eine wesentliche Hürde für den Einsatz von Noppenwaben besteht bislang in der aufwändigen diskontinuierlichen Herstellung mittels Plattenwerkzeugen in einer beheizbaren Presse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Noppenwaben. Bei diesem Verfahren wird das harzimprägnierte Textil zwischen zwei beheizten Werkzeugbändern in Form gebracht und anschließend ausgehärtet. Während das diskontinuierliche Verfahren nur die zeitaufwändige Fertigung vergleichsweise kleiner Noppenwabenplatten zulässt, bietet das kontinuierliche Fertigungsverfahren die Möglichkeit, Noppenwaben mit deutlich geringerem Zeitaufwand als Endlosmaterial herzustellen. Weiterhin wird im Rahmen der Arbeit aus der Analyse der bisher hergestellten einseitigen Noppenwabe eine neue symmetrische Geometrie abgeleitet. Unter anderem werden dazu die Formänderungen der Maschenware bei der Formgebung zur Noppenwabe untersucht und unterschiedliche Geometrien miteinander verglichen. Symmetrische Noppenwaben werden mit einseitigen Noppenwaben und etablierten luftfahrtzugelassenen Kernmaterialien, wie ausgewählten Schäumen und Honeycombs hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften verglichen, um deren Potential für den Einsatz als leichtes und brandfestes Kernmaterial zu beurteilen. Dafür werden kontinuierlich hergestellte Noppenwaben hinsichtlich Druckfestigkeit, Schubfestigkeit, Biegefestigkeit und Impact-Verhalten ebenso getestet wie die Anbindung an die Decklagen im Trommelschälversuch. Neben den genannten Untersuchungen, werden weitere, nicht-mechanische Charakteristika wie FST-Verhalten, Drapierbarkeit und die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen zu integrieren, betrachtet.show moreshow less
  • Sandwich structures consisting of two outer layers with a light core material in between are state of the art for the construction of lightweight structures with high mechanical load capacity. For aircraft interior the preferred core material to manufacture light sandwichpanels with good FST-properties (Fire Smoke Toxicity) are Nomex® honeycombs. For applications with low requirements concerning the mechanical properties, like covering panels, textile napcore material is an interesting alterative to honeycombs, due to the possibility to integrate functionality and their superior impact-behavior. Textile napcore material is made from a two-dimensional resin-impregnated knitted fabric that is formed to a three-dimensional nap structure and stabilized by the curing of the resin matrix. Depending on the compliance of the knitted fabric a variety of materials like thermoplastic-, aramid-, glass- or hybrid-yarn can be used. The possibility to use different yarn materials, knitting patterns, matrix materials and nap geometries for theSandwich structures consisting of two outer layers with a light core material in between are state of the art for the construction of lightweight structures with high mechanical load capacity. For aircraft interior the preferred core material to manufacture light sandwichpanels with good FST-properties (Fire Smoke Toxicity) are Nomex® honeycombs. For applications with low requirements concerning the mechanical properties, like covering panels, textile napcore material is an interesting alterative to honeycombs, due to the possibility to integrate functionality and their superior impact-behavior. Textile napcore material is made from a two-dimensional resin-impregnated knitted fabric that is formed to a three-dimensional nap structure and stabilized by the curing of the resin matrix. Depending on the compliance of the knitted fabric a variety of materials like thermoplastic-, aramid-, glass- or hybrid-yarn can be used. The possibility to use different yarn materials, knitting patterns, matrix materials and nap geometries for the structures results in a wide range of properties and offers excellent adaptability to numerous applications. At present, a substancial drawback of textile napcore material is its complex and costly production in a discontinuous process with a heated press. The discontinuous process is time consuming and only allows the production of comparatively small panels. In the context of this thesis an economic process for a continuous production of napcore material was developed and put into operation. The impregnated textile is formed between two heated belts and directly cured afterwards. Using the newly developed process, napcore material can be produced significantly faster as an endless material. In the course of the development of the described production process, the established single sided napcore geometry manufactured in the discontinuous process is analyzed for optimization and a symmetrical napcore geometry with better drapability is invented. Furthermore research about the deformation of the fabric is made to compare different geometries. Symmetrical napcores are analyzed in terms of mechanical properties and compared to single sided napcores and aviation-certified materials such as selected foams and honeycombs, to evaluate their prospects for lightweight applications. For symmetrical napcores mechanical properties like compressive strength, shear strength, flexural strength and impact behavior were tested as well as the bonding between core material and outer layers by drum peel test. In addition to the mechanical tests non-mechanical characteristics like flammability, drapability and the ability to integrate extra functionality are regarded.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gerber, Nils
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40605
Referee / Advisor:Prof. Dr. sc. nat. Bauer, Monika
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/11/25
Release Date:2017/01/02
Tag:Harz; Kernwerkstoff; Leichtbau; Noppe; Noppenwabe; Textilgewebe; Verbundwerkstoff
Aircraft interior; Composite; Core; Knitted fabric; Nap; Napcore; Resin; Textile fabric
GND Keyword:Leichtbau; Verbundwerkstoff; Wabenbauweise
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Polymermaterialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.