Veröffentlichung-Vorlage für IGF und INNOWATT · 16 Simulation statischer und dynamischer Belastungsversuche an den entwickelten Papierwerkstoffen und Referenzmaterialien (vgl

PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 18256 ANALYSE UND SIMULATION MECHANISCHER EIGENSCHAFTEN BEI DER ENTWICKLUNG ADAPTIERTER PAPIERARTIGER WERKSTOFFE FÜR FALT- UND HONIGWABEN-SANDWICHKERNE (PAPIERARTIGE WERKSTOFFE FÜR SANDWICH-KERNSTRUKTUREN)

www.ptspaper.de

FASERN & COMPOSITE

VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN

PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK

» VERPACKUNGENUND KONFORMITÄT

» DRUCK UND FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN

» MATERIALPRÜFUNGUND ANALYTIK

» FASERN UNDCOMPOSITE

» INNOVATIVEMESSTECHNIK

Faserbasierte Lösungenfür die Produkte von Morgen

J. Strauß, T. Kuntzsch, A. Bugiel: Analyse und Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwichkerne (Papierartige Werkstoffe für Sandwich-Kernstrukturen) PTS-Forschungsbericht 4/16 Februar 2017

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134 D - 80797 München www.ptspaper.de

Download-Information: Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit: www.ptspaper.de/forschungsdatenbank

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing.(FH) Johann Strauß Tel. 089/12146-491 [email protected]

Dr.-Ing. Timo Kuntzsch Tel. 03529/551-614 [email protected]

Dipl.-Ing. Alexander Bugiel Tel. 0351/463-36595 [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134 80797 München

Papiertechnische Stiftung PTS Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37 01809 Heidenau

Technische Universität Dresden Institut für Luft- und Raumfahrt-technik Marschner Straße 32 01307 Dresden

Das Forschungsvorhaben IGF 18256 BG der kooperierenden AiF-Forschungsvereinigungen PTS und EFB wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemein-schaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe-reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt-durchführung.

http://www.ptspaper.de/

http://www.ptspaper.de/forschungsdatenbank

mailto:[email protected]



1(83)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 4/16

Analyse und Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwichkerne J. Strauß, T. Kuntzsch, A. Bugiel Inhalt 1 Zusammenfassung 4

2 Abstract 5

3 Einleitung 6

3.1 Leichtbaustrukturen und ihre Anwendung 6

3.2 Papierartige Werkstoffe und ihre Herstellung 8

3.3 Materialverhalten papierbasierter Werkstoffe 9

3.4 Hochleistungs-Sandwich-Kerne auf Basis papierartiger Werkstoffe 10

4 Forschungsziel 12

5 Gesamtvorgehen 13

6 Material und Methoden 16

6.1 Aufbereitung der Faserstoffe und Additive 16

6.2 Grundcharakterisierung der Faserstoffe bzw. Füllkörper 16

6.3 Papierherstellung im Labor 16

6.4 Papierherstellung im Technikum – Versuchspapiermaschine (VPM) 17

6.5 Charakterisierung der papierartigen Werkstoffe im nichtimprägnierten Zustand 18

6.6 Analytik der papierartigen Werkstoffe im imprägnierten Zustand 18

6.7 Verfahren zur Sandwichkerncharakterisierung 19

6.8 Verformungsmessung mit ARAMIS 20

6.9 Auswerteverfahren zur Bestimmung von Material- und Sandwichkernparametern 20

6.10 Modellierung von Falt- und Honigwabenstrukturen 21

6.11 Explizite Simulation 22

7 Definition von Anforderungen an den zu entwickelnden Papierwerkstoff (vgl. AP 1) 23

8 Rohstoffauswahl, -beschaffung, Grundcharakterisierung und Versuchsprogramm für Laborversuche zur Materialherstellung (vgl. AP 2) 25

8.1 Überblick über die Faserstoffe für die Versuche zur Werkstoffherstellung 25

8.2 Überblick über die Füllkörper für die Versuche zur Werkstoffherstellung 27

8.3 Werkstoffherstellung - Versuchsplanung 27


Johann Strauß, Timo Kuntzsch, Alexander Bugiel: Papierartige Werkstoffe für Sandwich-Kernstrukturen 2(83)


9 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 3) 28

9.1 Vorgehen 28

9.2 Faserstoffaufbereitung 29

9.3 Bindemittelsystem 30

9.4 Herstellung Papierwerkstoff – Einsatz Faserstoff auf Basis Aramid 31

9.5 Herstellung Papierwerkstoff – Anteiliger Ersatz von Aramidfasern durch Mineral-/ Carbonfasern 33

9.6 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff – Anteiliger Einsatz von speziellen Kunststofffasern (Hochtemperaturfasern) 34

9.7 Blattbildungsversuche am Dynamischen Blattbildner (DBB) 35

9.8 Zusammenfassung der Ergebnisse 35

10 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper (vgl. AP 4) 36

10.1 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss Art und Anteil der Füllkörper36

10.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss des Einsatzes von Additiven bei der Blattbildung am Beispiel von Glashohlkugeln (GK1) 37

10.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 39

11 Materialherstellung im Labormaßstab – mehrlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 5) 39

11.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff – Variation der Materialzusammensetzung der Innenlage (unterschiedliche Füllkörper) bei konstanter Materialzusammensetzung der Decklage 40

11.2 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation der Materialzusammensetzung (Faserstoffvariante) der Decklage in Kombination mit Innenlage mit Füllkörper 41

11.3 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Ersatz Carbon-Frischfaser durch Carbon-Rezyklat-Faser in Decklage und Innenlage 42

11.4 Ergänzende Laborversuche als Vorbereitung zur kontinuierlichen Papierherstellung - Anpassung der Rezeptur auf Basis der ersten VPM-Versuche 43

11.5 Zusammenfassung 43

12 Übertragung der Materialherstellung (Papierwerkstoff) von Labor auf kontinuierliche Fertigung auf der Versuchspapiermaschine (vgl. AP 6) 44

12.1 Vorgehen - Versuchsansätze 44

12.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff ohne / mit Füllkörper mittels Langsiebfahrweise 45

12.3 Mehrlagige Herstellung – 3-schichtiger Papierwerkstoff mittels Schrägsiebfahrweise 47

12.4 Mehrlagige Herstellung - Herstellung 3-lagiger Papierwerkstoff mittels Langsiebfahrweise 47

12.5 Mehrlagige Herstellung - Alternative Vorgehensweise zur Herstellung des 3-lagigen Papierwerkstoffs: Verklebung der einzelnen Lagen 48

13 Methodik zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Papierwerkstoffe (vgl. AP 7) 50

13.1 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Schubprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.1) 50 13.1.1 Literaturrecherche und Auswertung des bisherigen Schubrahmens ....................... 50 13.1.2 Ableitung und Entwicklung eines neuen Schubrahmens ......................................... 51




13.2 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Druckprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.2) 53

14 Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Kernwerkstoffe (vgl. AP 8) 55

14.1 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften in der Papierfläche (vgl. AP 8.1) 57

14.2 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften senkrecht zur Papier-fläche (vgl. AP 8.2) 59

14.3 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Kernstrukturen (vgl. AP 8.3) 60

15 Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Materialmodells für Papier (vgl. AP 9) 62

15.1 Elastisch-plastisches Materialmodell nach Mäkelä und Östlund 62

15.2 Entwicklung eines angepassten zweidimensionalen Materialmodells 64

15.3 Ableiten eines dreidimensionalen Materialmodells 65

15.4 Wiederbelastungsmodell 66

15.5 Implementierte Versagensmodelle 67

15.6 Implementierung, Validierung und Anwendung des Materialmodells 68

16 Simulation statischer und dynamischer Belastungsversuche an den entwickelten Papierwerkstoffen und Referenzmaterialien (vgl. AP 10) 69

16.1 Validierung des Simulationsmodells anhand der Testergebnisse 69

16.2 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Faltkernen 71

16.3 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Honigwabenkernen 72

17 Optimierung der Sandwich-Kernstruktur bezüglich der mechanischen Eigenschaften (vgl. AP 11) 74

18 Herstellung von Funktionsmustern (vgl. AP 12) 75

Glossar 76

Literatur 80




1 Zusammenfassung

Thema Analyse und Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwichkerne

Ziel des Projektes

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von adaptierten papierarti-gen Werkstoffen für Falt-und Honigwabenkernen in Sandwichstrukturen durch Weiterentwicklungen in der messtechnischen und simulationsgestützten Charak-terisierung und deren mechanischer Eigenschaften für den Einsatz in Leichtbau-strukturen.

Dreilagiger adaptierter papierartiger Werkstoff

Der entwickelte Kernwerkstoff stellt einen Werkstoff mit einem deutlich erweiter-ten Anwendungsfeld dar, der in vielfältiger Weise für innovative Produkte im Bereich der leichtgewichtigen Sandwich-Strukturen eingesetzt werden kann. Die Verbesserung der gewichtsspezifischen Kerneigenschaften durch Einsatz des entwickelten Kernwerkstoffes konnte experimentell und numerisch nachgewie-sen werden.

Prüfmethoden und Prüfver-fahren

Die neuen Verfahren zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften dünner papierartiger Materialien unter Druck- und Schubbelastungen in der Ebene ermöglichen erstmals die Bestimmung aller relevanten Materialkennwerte. Durch die Bereitstellung dieser Daten ist eine strukturmechanische Auslegung von Produkten aus derartigen Materialien erstmals effektiv möglich. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendung von Papieren als Konstrukti-onswerkstoff geschaffen worden.

Materialmodelle und Simulations-methodik

Das entwickelte Materialmodell ermöglicht signifikante Verbesserung der Genau-igkeit numerischer Simulationsmodelle zur Vorhersage des Verhaltens von Sandwich-Strukturen mit den innovativen Kernen aus papierartigen Materialien. Der Einsatz der Simulationsverfahren ermöglicht bei den potenziellen Anwendern eine schnellere und durch Reduktion von teuren experimentellen Nachweisunter-suchungen eine kostengünstigere Auslegung neuer innovativer Strukturen und Produkte.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen (kmU)

Der Nutzen der Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen liegt in der Erschließung neuer Produkt- und Kundenfelder für die Papierindustrie sowie in der Bereitstellung neuer Prüf- und Simulationsmethoden für die Papier- und Luftfahrtindustrie. Davon profitieren vor allem die stark kmU-geprägten Branchen der Spezialpapierhersteller, der Simulationssoftware-Entwickler und der Spezialprüfmaschinenhersteller. Angesichts der geringen eigenen For-schungs- und Entwicklungskapazitäten von kmU in diesen Bereichen, sind die Ergebnisse von größter Bedeutung für deren Wettbewerbsfähigkeit.




2 Abstract

Subject Analysing and simulating mechanical properties for the development of adapted paper-like materials for folded and honeycomb sandwich cores

Project objective Aim of the research project was the development of adapted paper-like materials for folded and honeycomb cores in sandwich structures through improvements in the analytical and simulation-based characterisation and mechanical properties of these materials for lightweight structure applications.

Adapted three-ply paper-like material

The sandwich core material developed in the project has a much broader scope of application and can be used in manifold ways for innovative products in the field of lightweight sandwich structures. The improved weight-specific core properties achieved with the new material could be demonstrated numerically and by experiments.

Test methods and procedures

New characterisation methods for the mechanical behaviour of thin paper-like materials under in-plane compression and shear loads make it possible to determine all relevant material characteristics, which was not possible before. For the first time ever, the data obtained allow the effective structure-mechanical dimensioning of products made of these materials, which is a key prerequisite for the use of paper as construction material.

Material models and simulation method

The material model developed in the project significantly improves the accuracy of numerical simulation models predicting the behaviour of sandwich structures with innovative cores made of paper-like materials. The use of simulation meth-ods enables potential users to dimension new, innovative structures and prod-ucts much faster and, by reducing the need for expensive experimental verifica-tion studies, more cost-efficiently.

Economic relevance of this research subject for small and medium enter-prises (SME)

The research results open up new product and market segments for the paper industry and provide companies of the paper and aircraft sectors with new test and simulation methods. The results will benefit especially companies in the specialty paper and special test equipment sectors as well as developers of simulation software, sectors which are strongly dominated by SME. These SME have little research and development capacity of their own, which is why the results can greatly enhance their competitiveness.




3 Einleitung

3.1 Leichtbaustrukturen und ihre Anwendung

Leichtbau mit großer Anwen-dungsbreite

Der Leichtbau hat als Zielvorgabe, aus funktionellen oder ökonomischen Grün-den, das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne Tragfähigkeit, Steifig-keit oder andere Funktionen der Konstruktion einzuschränken. In diesem Zu-sammenhang haben sich Sandwich-Konstruktionen bewährt, da sie bei geringem Gewicht eine große Biegesteifigkeit gewährleisten. Sandwich-Strukturen beste-hen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwi-schenliegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern. Die Deckschichten bestehen typischerweise aus faserverstärk-ten Kunststoffen oder isotropen Materialien, wie Stahl- oder Aluminiumblechen. Durch den vergrößerten Abstand der Decklagen, weisen Sandwich-Bauteile eine sehr hohe Biege- und Beulsteifigkeit auf. Aufgrund dieses Vorteils gegenüber massiven Konstruktionen konnten Sandwich-Strukturen sich in zahlreichen Marktsegmenten etablieren. Sie haben in Abhängigkeit ihres Materialaufbaus und bedingt durch die unterschiedlichen Eigenschaftsprofile sowie Kostenstruktu-ren potenzieller Anwender, ein breites Einsatzspektrum. So finden sie Anwen-dung in der Verpackungsindustrie, der Bau- und Möbelindustrie (Leichtbauplatten für Möbel-/Messebau, Trennwände, Deckenpaneelen), der Automobilindustrie (Kofferraumauskleidungen, Hutablagen, Innenverkleidungen, Aufbauten bei LKW), der Schiffsindustrie (Innenausbau und Tragstrukturen) sowie der Luftfahrt-industrie (Verkleidungs- und teilweise in Tragstrukturen) [3,4,5].

Leichtbaustruk-turen im Flug-zeug- und Schienen-fahrzeugbau

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist ein wichtiges Aufgabengebiet in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen. Leichtere Transportsyste-me benötigen weniger Energie oder können mehr Nutzlast aufnehmen. Der Einsatz von Verbundmaterialien, wie kohlenstofffaser- und glasfaserverstärkten Kunststoffen ist dabei ein erster Schritt in diese Richtung. Ein weiterer Schritt ist deren Einsatz in Verbindung mit der Sandwich-Bauweise. Heute werden beispielsweise bei Flugzeugen die Fußbodenplatten sowie die Verkleidungen und bei Schienenfahrzeugen teilweise die gesamte Tragstruktur in Sandwich-Bauweise ausgeführt, wobei insbesondere in Flugzeugstrukturen die Kerne aus Aramidpapier bestehen, welches mit Phenolharz beschichtet ist. Dieses Kernmaterial wird seit Jahrzehnten mehr oder weniger unverändert im Sandwich-Bau eingesetzt.




Kernmaterialien und deren Nach-teile

Sandwich-Kerne können aus quasihomogenen Materialien (Holz, Schäume wie z.B. PUR, PP, PVC, PS, PMI) oder diskret stützenden Strukturen (Waben- und Faltkerne, gewellten Strukturen, 3D-Abstandsgeweben) bestehen. Homogene Kerne erreichen gegenüber Wabenkernen geringere gewichtsspezifische me-chanische Eigenschaften. So stehen Waben- und Faltkerne aufgrund ihres strukturellen Potentials im Mittelpunkt des Interesses. Aufgrund der Bandbreite der Materialien sowie der Menge der möglichen Zellkonfigurationen, aus denen Waben- oder Faltkerne hergestellt werden können, ergibt sich ein vielfältiges Anwendungsspektrum. So kommen als Materialien für die Waben Metalle, Kunststoffe, Keramiken oder Papiere, welche teilweise mit Harz beschichtet sind, zum Einsatz. Hochwertige Wabenkerne werden aus Aramidfaserpapieren (z. B. Nomex®) hergestellt und mit Phenolharzen beschichtet. Sie zeichnen sich neben dem niedrigen Gewicht vor allem durch ihre Nichtbrennbarkeit aus. Nachteilig ist ihr extrem hoher Preis, womit sich der Einsatz auf Spezialanwendungen be-schränkt. Waben aus metallischen Werkstoffen sind korrosionsanfällig (Alumini-um) oder haben zu geringe gewichtsspezifische Eigenschaften (Stahl). Letzteres gilt auch für Thermoplastwerkstoffe (Polypropylen).

Defizite und notwendige Optimierung des Kernaufbaus

Zum Einstellen unterschiedlicher Kerneigenschaften werden lediglich Kernaufbau und Anzahl der Phenolharz-Beschichtungen variiert. Aus früheren Untersuchun-gen [1] ist bekannt, dass bei der Beschichtung mit mehreren Phenolharzlagen das an sich leichte und steife Aramidpapier nur noch als Trägermaterial dient. Das Aramidpapier liegt hier in der neutralen Fläche, so dass bei Biegeverfor-mungen dessen gute mechanische Eigenschaften kaum zur Wirkung kommen. Von den Eigenschaften der außen liegenden Beschichtungszonen aus Phenol-harz hängt aufgrund ihres größeren Abstands zur Mittelebene das Strukturver-halten in besonderem Maße ab. Dabei sind das spröde Verhalten sowie die niedrigen Zugfestigkeiten des Harzes in vielerlei Hinsicht nachteilig und dimensi-onierend. Das hohe Potenzial des teuren Aramidpapiers kann demnach selbst bei dünnen Beschichtungen nicht voll ausgeschöpft werden.

Potenzial für papierbasierte Werkstoffe

Um künftig Strukturgewicht und Kosten weiter zu reduzieren, sollen z. B. in Flugzeugen neben diversem Interieur auch die Flugzeugrumpfstrukturen in Sandwich-Bauweise ausgelegt werden. Damit eröffnet sich wegen der geschil-derten Defizite ein großer Bedarf für die Herstellung und den Einsatz adaptierter Papiere. Für deren großflächige Herstellung und Weiterverarbeitung, insbeson-dere Faltung und Verklebung, sind dabei grundsätzlich etablierte Technologien vorhanden, die nur geeignet modifiziert werden müssen, womit das spezifische Vorteilspotenzial papiertechnologischer Fertigung für innovative Produkte genutzt werden kann.




Papier als konstruktiver Werkstoff

Papier wird heutzutage noch zu selten als konstruktiver Werkstoff angesehen. Eine entscheidende Verbesserung für die Vermarktungsfähigkeit von papierarti-gen Werkstoffen kann erreicht werden, indem sich die Charakterisierung von Papier hinsichtlich seiner mechanischen, chemischen und übrigen Eigenschaften an die Erfordernisse im konstruktiven Entwurf im Kontext mit den Nachweisen für Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit anpasst. Die dafür notwendigen Kenn-werte, die am fertigen Papier messtechnisch zu erfassen sind, sollten bereits bei der gezielten Herstellung von Papieren mit bestimmten Eigenschaften berück-sichtigt werden. Insbesondere im Zusammenhang mit den meisten mechani-schen Eigenschaften geschieht das derzeit noch nicht. Die im Flugzeugbau etablierten Aramidpapiere [6] sind für den Einsatz in Sandwich-Kernen in Flug-zeugen mit Einschränkungen grundsätzlich geeignet, jedoch keineswegs opti-miert. Die systematischen, theoretischen und messtechnischen Grundlagen für eine solche Optimierung sind unvollständig.

3.2 Papierartige Werkstoffe und ihre Herstellung

Papier, Papier-herstellung

Nach Definition (DIN 6735) ist Papier ein aus Fasern bestehender Werkstoff, der durch Entwässerung einer Faserstoffaufschwemmung auf einem Sieb gebildet und anschließend verdichtet und getrocknet wird. Dieses Verfahren erlaubt es Fasern, Funktionsfüllstoffe sowie Matrixstoffe homogen gemischt als flächiges Material zu realisieren [7]. Die Festigkeit eines Papiers resultiert aus der Festigkeit der Einzelfasern, der Festigkeit der Faser-Faser-Bindungen sowie der Geometrie des Fasernetzwer-kes (Relative Bindungsflächen, Faserorientierung usw.). Bei der Papierherstel-lung werden anteilig Additive eingesetzt [8] um den Herstellungsprozess zu optimieren bzw. um dem Papier bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Gradien-tenpapiere können durch Schichtung mehrerer Einzellagen hergestellt werden. Das kann durch Zusammenführen und Aufeinanderpressen einzelner nasser Papierbahnen (Gautschen) oder durch mehrstrahlige Stoffaufläufe realisiert werden [9].

Papierwerkstoffe durch Einsatz von Füllstoffen und Additiven

Bei Verwendung von Bindemitteln, wie adaptierten Latex, Phenol-Harz oder anorganischen Mitteln werden teils schwer lösbare Verbindungen an den Faser-kontaktstellen im Fasernetzwerk geschaffen. Das erhöht deutlich die Steifigkeiten und Festigkeiten des Papiers gegenüber ausschließlicher Wasserstoff-brückenbindungen der organischen Fasern. Ein deutlicher Vorteil der so gebilde-ten Struktur gegenüber Faserverbundwerkstoffen mit z. B. äußerst hohem Fasergehalt ist der hohe Gehalt an Porenvolumen in Papier, was bei gleichem Materialeinsatz keinen Verlust an Festigkeit bedeuten muss, jedoch die Dichte verringert und zudem potenziell duktilere und imprägnierfähige Materialien hervorbringt. Durch Additive wie thermisch expandierbare Mikrosphären kann das spezifische Gewicht weiter reduziert werden. Dabei handelt es sich um mikroskopisch kleine Kügelchen mit thermoplastischer Außenhaut und einer Füllung aus einem kondensierten Gas, das sich bei Erhitzen ausdehnt [10,11].




Papierwerkstoffe durch Einsatz von Kunststoff-fasern

Papiere, die vorwiegend unter Einsatz von synthetischen Fasern, wie Aramid-, Glas-, Carbon-, PLA-, PET-, Celluloseregenerat-, Basalt- oder Metall-Fasern, ggf. zusammen mit duro- bzw. thermoplastischen Matrixmaterialien, hergestellt werden, sind letztendlich Faserverbunde, die Eigenschaften von Papier aufwei-sen. Diese können durch funktionale Füllstoffe wie Aluminium-Hydroxid (ATH), Silica, Aktivkohle, Metall, Keramik weiter beeinflusst werden. In diesem Zusam-menhang kommt der Etablierung neuartiger Faserbindungsmechanismen die größte Bedeutung zu [12]. Zurzeit ist in der Luftfahrt- und auch in anderen Transportbereichen Aramidpa-pier, das nach Formgebung mit Phenolharz beschichtet wird, das Standardmate-rial in diskret stützenden Sandwichkernen.

3.3 Materialverhalten papierbasierter Werkstoffe

Einordnung in Materialmodelle papierbasierter Werkstoffe

Papier kann ein viskoplastisches orthotropes Materialverhalten zugeordnet werden. Durch Viskoplastizität werden zeit- und geschwindigkeitsabhängige Werkstoffeigenschaften beschrieben. Die Orthotropie beschreibt dabei die Symmetrie der Materialeigenschaften bezüglich dreier zueinander senkrechter Hauptebenen. Beide Annahmen werden im Allgemeinen für die kontinuumsme-chanische Beschreibung verwendet [13,14,15]. Im plastischen Bereich tritt bei Papier ein deutlicher Unterschied zwischen Zug- und betragsmäßig gleich großer Druckbelastung in allen drei Materialhaupt-richtungen auf [1,16,17,18]. Weiterhin weist Papier bei Be- und Entlastungen ein ausgeprägtes Hystereseverhalten auf [15]. All diese Eigenschaften sind bekannt und teilweise gut erforscht, wurden aber nicht in einem Materialgesetz vereint, wie es für die Simulation mittels der Finite-Element-Methode erforder-lich ist.

Vorhandene Messmethoden

Für die Ermittlung der Zugeigenschaften sind geeignete Prüfmethoden verfügbar [19]. Es existieren hingegen keine geeigneten Methoden zur Bestimmung des elastisch-plastischen Verhaltens von Papierwerkstoffen bei Druck- sowie Schub-belastungen, aus denen Kennwerte zur Verwendung in Materialgesetzen von Simulationsmodelle abgeleitet werden können. Druckversuche, die in der Indust-rie zur Anwendung kommen, liefern Kennwerte, mit denen verschiedene Papiere untereinander verglichen werden können [16]. Diese Kennwerte lassen sich jedoch nicht in die für eine kontinuumsmechanische Beschreibung benötigte Form überführen. Zu den gebräuchlichsten und genormten Druckprüfungen gehören der Ring-Druck-Versuch [20] und der Streifenstauchversuch [21]. Aufgrund des kurzen Prüfspalts, der ein Ausbeulen der Probe erschwert, ist eine freie Querkontraktion nicht möglich, was die Ergebnisse maßgebend verfälscht. Langspaltversuche ermöglichen zwar eine freie Querkontraktion der Probe, erfordern aber Beulstüt-zen, die durch ihren Kontakt zur Probe die Ergebnisse ebenfalls maßgebend beeinflussen [16]. Am ILR der TU Dresden wurde eine Kombination des Ring-Druck-Versuchs und des Streifenstauchversuchs entwickelt [22]. Auch wenn mit dieser Methode bessere Ergebnisse erzielt werden können, so wird auch bei dieser Anordnung die Querkontraktion behindert und es tritt ein Beulen der




Papierprobe auf. Zur Bestimmung von Schubeigenschaften ist in der Industrie der Abscherversuch üblich [15,16], der nur zur Bestimmung der Schubfestigkeit, jedoch nicht des Schubverhaltens geeignet ist. Das Schubverhalten an flachen Proben, wie Laminaten, wird i. A. durch sogenannte Schubrahmen bestimmt. Am ILR der TU Dresden wurde für Papier deshalb ein Schubrahmen mit Beulstützen entwickelt [22] und patentiert [23]. Wie sich gezeigt hat, besitzt diese Vorrichtung noch Optimierungspotenzial. Weiterhin existieren verschiedene Prüfverfahren zur Bestimmung der Eigen-schaften senkrecht zur Blattfläche. Dazu zählen sogenannte „out-of-plane“ Druck-, Zug und Schubversuche [15,16,24]. Obwohl diese Prüfmethoden am ehesten für die Bestimmung relevanter elastisch-plastischer Kennwerte senk-recht zur Blattebene geeignet sind, ist keiner dieser Versuche genormt.

3.4 Hochleistungs-Sandwich-Kerne auf Basis papierartiger Werkstoffe

Diskret stützende Hochleistungs-Sandwich-Kerne auf der Basis von Papiermaterialien

Honigwabenkerne aus Aramidpapieren beschichtet mit Phenolharzen sind etablierte Hochleistungs-Sandwich-Kerne [25]. In Luftfahrzeugstrukturen kom-men diese Kerne aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsspezifischen mechani-schen Eigenschaften [1] sowie deren geringer Brandlast in Verkleidungs- und teilweise auch in Tragstrukturen zum Einsatz. Im Sandwich-Verbund sind die Zellen der Wabenkerne von den Deckschichten verschlossen. Feuchtigkeit, die durch Diffusionsprozesse in die Zellen eingedrungen ist, kann nicht entweichen und muss aufwendig entfernt werden [26]. Faltkerne weisen keine abgeschlos-senen Zellen auf. Durch Ventilierung der Kerne kann eingedrungene Feuchtigkeit aus dem Inneren abtransportiert werden. Faltkerne werden im Gegensatz [27] in einem kontinuierlichen Prozess aus einem großflächigen dünnen Material gefertigt [28,29]. Durch Variation der Faltkonfiguration können die Eigenschaften an die Anforderungen des Zielbauteils angepasst werden [30]. Bei Zugbelastun-gen senkrecht zur Sandwich-Oberfläche versagen entweder die Verklebungen zwischen Kern und Deckschichten oder die Zugfestigkeit des papierartigen Kernmateriales wird überschritten. Häufiger wirken an Sandwich-Strukturen jedoch Druck- und Schubbelastungen normal zur Sandwich-Oberfläche. Diese führen zum Beulen der Wände als primärer Versagensmodus der Faltkernstruk-tur (Abb. 1) [31].

Abb. 1: komplexe Beulformen eines Faltkerns: a) Versuch, b) Simulation [32]




Stabilitätsversa-gen von diskret stützenden Kernen

Stabilitätsprobleme i. A. beruhen auf dem Ausweichen der idealen Geometrie eines schlanken Systems unter einer Druckbelastung. Die Festigkeiten, welche sich aus der Beullast ergeben, liegen allgemein unterhalb der Materialfestigkei-ten. Für Stäbe und Platten existieren analytische Lösungen zur Berechnung der Beullasten [33]. Komplexere Situationen wie das Beulversagen eines Sandwich-kerns (Abb. 2) entziehen sich jedoch einer geschlossenen analytischen Lösung. Dafür müssen numerische Methoden, wie die FEM (Finite-Element-Methode), angewendet werden.

Schädigung und Systemversagen

Die Beurteilung der Schädigungen von Sandwich-Strukturen ist nicht trivial, da lokale Schädigungen des Kerns für das Gesamttragverhalten von Bedeutung sind. Eine Verringerung der Neigung zum Beulen der Kernwände bei Honigwa-ben- bzw. Faltkernen durch die Verbesserung der lokalen Biegesteifigkeiten erhöht die globalen Schub- und Druckfestigkeiten der Kerne. Bei Schlagbelas-tungen senkrecht zur Oberfläche können zusätzlich andere Versagensformen von Bedeutung sein [1]. Da Schädigungen aus Schlagbelastungen generell nicht immer unmittelbar erkennbar sind, muss die Tragfähigkeit des Gesamtsystems auch mit diesen Schädigungen gewährleistet sein. Bei diesem Auslegungsprin-zip, das ein Grundprinzip im Flugzeugbau ist, wird das System als schadenstole-rant bezeichnet. Momentan ist die Vorhersage der sogenannten Resttragfähig-keit ein großer Forschungsschwerpunkt der Luftfahrtindustrie.

Simulation von Sandwich-Kernen aus Pa-pierwerkstoffen

Mit Hilfe von Simulationsverfahren basierend auf der Finite-Element-Methode (FEM) kann das Verhalten von Strukturen für beliebige Belastungszustände analysiert und bewertet werden. In Kombination mit einer realitätsnahen Diskreti-sierung der Sandwich-Kerne ist es möglich, das lokale Versagensverhalten abzubilden. Dazu werden die Zellwände des Wabenkerns mit Schalenelementen diskretisiert [1,34,35,36]. Eine derartige Strukturmodellierung setzt Kenntnisse der Materialeigenschaften der Wabenkernwände voraus. Reines Aramidfaserpa-pier besitzt ein stark elasto-plastisches Verhalten im Zugbelastungsbereich [37,38,39]. Mit Phenolharz beschichtete Aramidfaserpapiere zeigen ein eher schwach nichtlineares aber sprödes Verhalten [39]. Unter Verwendung von Materialkennwerten aus Versuchen an Papieren konnte das Verhalten von belasteten Sandwich-Platten mit Nomex®-Honigwabenkernen schon nähe-rungsweise abgebildet werden [39]. Verfügbare Materialmodelle können jedoch das orthotrope elastisch-plastische Verhalten der Aramidpapiere gerade bei hohen Dehnungen bisher nicht ausreichend wiedergeben (Abb. 2) [17].

Dehnung

Abb. 2: Vergleich von Simulations- und Versuchsdaten zugbelasteter Aramidpa-piere in vorangegangenen Untersuchungen [17]

Span

nung




Optimierung von Falt- oder Wabenkernen

Das Optimierungsprogramm GEOpS2 (Genetic and Evolutionary Optimization of Structures) wird an der Professur für Luftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Dresden entwickelt und hauptsächlich zur Strukturoptimierung genutzt. Als Optimierungsverfahren werden die ‚Evolutionären Algorithmen‘, ‚Evolutionsstrategien‘, ‚Genetische Algorithmen‘ und ‚Differentielle Evolution‘ verwendet, die einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen [40]. Schnitt-stellen zu den Programmen FalKGen und SANDMESH2 [41], sind prinzipiell möglich, wodurch Falt- oder Wabenkerne hinsichtlich ihrer Geometrie, der globalen Tragfähigkeit und ihrer Resttragfähigkeit optimieren werden können.

4 Forschungsziel

Ziel Das Vorhaben zielte auf die Erarbeitung von Grundlagen für die beanspru-chungsgerechte Auswahl, Herstellung, Simulation und Adaption von Papierwerk-stoffen für leichte Sandwich-Kerne ab und beinhaltete die zielgerichtete Entwick-lung von adaptierten papierartigen Werkstoffen für Falt- und Honigwabenkerne in Sandwichstrukturen durch Weiterentwicklungen in der messtechnischen und simulationsgestützten Charakterisierung deren mechanischen Eigenschaften. Wesentliche Teilziele waren die - Entwicklung adaptierter Werkstoffe für Zellkernstrukturen - Erweiterung der Methodik zur simulationsgestützten Charakterisierung /

Vorhersage der mechanischen Kerneigenschaften - Entwicklung erforderlicher messtechnischer Methoden zur Bestimmung der

für die Simulation erforderlichen Materialdaten.




5 Gesamtvorgehen

Übersicht Im Rahmen des Projekts wurden papierartige Werkstoffe (Halbzeuge) mit unterschiedlichen Faserstoffkombinationen bzw. Additiven/Füllstoffen sowie Materialaufbau hergestellt, die seitens der werkstoffmechanischen Charakterisie-rung messtechnisch umfangreich analysiert und vorab beurteilt wurden. In Abhängigkeit der Beurteilung wurden Modifikationen an den Bestandteilen des Papiers und dem Verfahren vorgenommen. Damit die Messwerte Eingang in die numerische Simulation des Kernverhaltens finden können, wurde die Materialbe-schreibung angepasst. Im Rahmen der Anwendung für Faltwabenkerne im Bereich der Luftfahrt wurde eine konstruktive Optimierung durch Simulationen vorgenommen.

Abb. 3: Schwerpunkte im Projekt und ihre Verteilung Abb. 3 zeigt eine Gliederung des Lösungsweges, die sich so in den Arbeitspake-ten und mit ihrer Verteilung auf die beteiligten Forschungsstellen widerspiegelt. Zur Realisierung des Ziels wurden folgende drei Schwerpunkte gesetzt: - Block A: Entwicklung und Herstellung adaptierter papierartiger Werkstoffe

als Grundlage zur Verbesserung der Beulsteifigkeit der Kernwände (Kapitel 9 bis 12)

- Block B: Neu- / Weiterentwicklung von Prüfverfahren zur unmittelbaren Bewertung des Papierwerkstoffs und ihre Anwendung (Kapitel 13, 14)

- Block C: Entwicklung eines dreidimensionalen Materialgesetzes zur numeri-sche Simulation und zur Optimierung des Papier- und des Kernverhaltens (Kapitel 15 bis 17)

Arbeitspaket 1 In Schritt 1 wurde das Eigenschaftsprofil des zu entwickelnden Papierwerkstoffs für die Herstellung von Kernmaterialien definiert. Dazu wurden Recherchen zu Materialkomponenten von Sandwich-Strukturen (insbesondere zu Kernmateria-lien bzw. Kernwerkstoffen) für unterschiedliche Anwendungsbereiche mit einem Fokus auf Kernmaterial für Sandwich-Konstruktionen im Bereich der Luftfahrt durchgeführt. Ergebnisse der Untersuchung von Referenzmaterialien wurden dabei berücksichtigt (Kap. 7).

Arbeitspaket 2 Basierend auf den Ergebnissen von AP 1 erfolgten die Auswahl und Beschaffung geeigneter Faserstoffe und Additive sowie der potenziellen Füllkörper für die Versuche zur Materialherstellung. Die Faserstoffe wurden im Hinblick auf die Blattbildungseigenschaften insbesondere hinsichtlich ihrer Ladungsverhältnisse charakterisiert. Entsprechend dem Lösungsansatz erfolgte die Aufstellung eines Versuchsplans für die labortechnische Papierherstellung (Kap. 8).

Entwicklung/Herstellung PapierwerkstoffVergrößerung dichtebezogener

Biegesteifigkeit

numerische Simulation desPapier- bzw. Kernverhaltens

unter Beachtung des realen elastisch-plastischen Papierverhaltens

PTI IZP

werkstoffmechanische Charakterisierung

insbesondere Druck-, Beulsteifigkeit




Arbeitspaket 3 Im Arbeitspaket 3 erfolgte die Entwicklung von einem einlagen Papierwerkstoff, der hinsichtlich des Anforderungsprofils im Wesentlichen aus nicht brennba-ren/selbstverlöschenden Fasern besteht. Bei der Entwicklung des Papiermedi-ums wurde in zwei Stufen vorgegangen. In einem ersten Schritt erfolgten zu-nächst Versuche zur Ermittlung eines kompatiblen Faser-/Retentions-/Binde-mittel-Systems. Unter Nutzung eines geeigneten Systems erfolgten dann in einem zweiten Schritt Versuche zur Blattbildung unter Variation der Faserstoffe. Die Varianten wurden hinsichtlich ihrer Grundeigenschaften charakterisiert. Entsprechende Mustermaterialen wurden den Forschungsstellen 2 und 3 zur Verfügung gestellt (Kap. 9)

Arbeitspaket 4 Unter der Berücksichtigung der im Schritt 3 gewonnenen Kenntnisse hinsichtlich eines geeigneten Blattbildungs- bzw. anforderungsorientierten Faserstoffsystems wurden Blattbildungsversuche im Labormaßstab zur Herstellung eines einlagigen Papierwerkstoffs unter Einsatz von Füllkörpern durchgeführt. Untersucht wurde insbesondere ihr Einfluss auf die werkstoffmechanischen Eigenschaften. Ent-sprechende Mustermaterialen wurden den Forschungsstellen 2 und 3 zur Verfügung gestellt (Kap. 10).

Arbeitspaket 5 In diesem Arbeitspaket wurde der Einfluss einer mehrlagigen Blattbildung auf die werkstoffmechanischen Eigenschaften des Papierwerkstoffs (Strukturmodell) untersucht. Dazu erfolgten Versuche zur mehrlagigen Blattbildung im Labormaß-stab, wobei die beiden Außenlagen den gleichen Materialaufbau aufweisen, die Innenlage hingegen einen Materialaufbau besitzt, der eine Erhöhung des Volu-mens des Gesamt-Papierwerkstoffs bewirkt (Sandwich-Prinzip). Genutzt wurden dabei die Kenntnisse aus den Ergebnissen der Arbeitspakete 3 und 4. Die jeweiligen Varianten wurden hinsichtlich ihrer Grundeigenschaften charakteri-siert. Entsprechende Mustermaterialen wurden den Forschungsstellen 2 und 3 zur Verfügung gestellt (Kap. 11).

Arbeitspaket 6 Zur Übertragung der Materialherstellung (Papierwerkstoff) von Labor auf kontinu-ierliche Fertigung wurden Versuche auf der Versuchspapiermaschine der PTS durchgeführt, wobei hinsichtlich Rezepturen / Materialaufbau Vorzugsvarianten aus den Arbeitspaketen 3 bis 5 zum Einsatz kamen. Nach einer Grundcharakte-risierung wurde Materialmuster für die weiteren Untersuchungen bzw. für die Fertigung von Funktionsmustern den Projektpartnern zur Verfügung gestellt (Kap. 12).

Arbeitspaket 7 Aufbauend auf den Recherchen aus Arbeitspaket 1 wurden umfangreiche Analysen an bestehenden Prüfvorrichtungen bzw. Prüfverfahren durchgeführt. Anschließend wurden Verbesserungen, Modifikationen und Neuentwicklungen für eine Schubprüfvorrichtung (AP 7.1) und eine Druckprüfvorrichtung (AP 7.2) abgeleitet und umgesetzt (Kap. 13).




Arbeitspaket 8 An imprägnierten und nichtimprägnierten Papieren wurden Schub-, Zug- sowie Druckversuche in der Papierebene (in-plane) sowie senkrecht zur Ebene (out-of-plane) durchgeführt. Die Ergebnisse dienten dazu, Papiere vergleichen zu können (Auswahl für AP 6) bzw. Kennwerte für die Simulation zu bestimmen (für AP 10 / AP 11). Weiterhin wurden mechanische Kennwerte von Kernstrukturen ermittelt (Kap. 14).

Arbeitspaket 9 Das Materialmodell nach Mäkelä und Sörens wurde hinsichtlich seines Verzer-rungskörpers nach einem neu entwickelten Ansatz modifiziert. Modifikation des Ent- und Wiederbelastungsverhaltens wurde validiert. Eine Steifigkeitsabschwä-chung in Abhängigkeit des Versagens wurde dem Materialmodell hinzugefügt. Nach der erfolgreichen Implementierung als 2D-Material-modell wurde eine dreidimensionale Implementierung vorgenommen (Kap. 15).

Arbeitspaket 10 Zur Validierung des Materialmodells sowie zur Nachrechnung der durchgeführten in-plane Versuche wurden verschiedene parametrische finite Element Modelle erstellt. Ein Modellgenerator zur Erstellung von Sandwichstrukturen (mit Honig-waben oder Faltkernen) wurde adaptiert und eingesetzt. Es wurde ein Tool entwickelt, welches optimierte mechanische Kennwerte aus den Versuchsdaten bestimmt. Die Papierversuche wurden erfolgreich nachgerechnet (Kap. 16).

Arbeitspaket 11 Zuerst wurde der zu betrachtende strukturmechanische Belastungsfall mit zugehörigen Randbedingungen definiert. Darauf aufbauend wurde der Entwurfs-raum gestaltet, der verschiedene Strukturen im Optimierungsprozess erlaubt. Anschließend wurden Zielfunktionen wie spezifische Festigkeit und Steifigkeit für das Optimierungsproblem definiert und die Optimierung wurde durchgeführt (Kap. 17).

Arbeitspaket 12 Aufbauend auf den Ergebnissen der vorherigen Arbeitspakete wurden zwei Funktionsmuster von Sandwich-Strukturen mit Kernen aus den entwickelten Papieren hergestellt. Die Funktionsmuster veranschaulichen 4 Funktionsvorteile von Faltkernen (Kap. 18).




6 Material und Methoden

6.1 Aufbereitung der Faserstoffe und Additive

Faserstoffe Nachfolgend dargestellte Geräte wurden zur Desintegration bzw. Suspendierung der Fasern eingesetzt. Die ausgewählten Spezialfasern bzw. ihre Kombination benötigen eine spezielle Art der Dispergierung abhängig von der Suspendierfä-higkeit. Nach entsprechenden Vorversuchen wurden jeweils abgestimmt auf die Faserart eine spezifische Vorgehensweise bzw. Aggregat im Labor eingesetzt.

Abb. 4: Aggregate zur Suspendierung: a) Jet-Rührer zur besseren Vereinzelung (z.B. Carbonfasern), b) Desintegrator zum separaten Aufschlagen der Faserstof-fe, c) Stoffverteiler zur Verteilung / Verdünnung der Faserstoffsuspension

Füllkörper / Füllstoffe

Die jeweiligen Füllkörper wurden in eine Slurry überführt - Suspendierung der Füllstoffe in Wasser mittels Magnetrührer - und in dieser Form der Faser-stoffsuspension zugesetzt.

6.2 Grundcharakterisierung der Faserstoffe bzw. Füllkörper

Faserstoffe / Füllkörper

Ergänzend zu den Herstellerangaben wurden nach Bedarf die Faserstoffe bzw. die Füllkörper näher charakterisiert. Von Interesse waren insbesondere die morphologischen Eigenschaften und der Ladungshaushalt.

Messverfahren Messmethoden zur Charakterisierung der Rohstoffe (Tab. 1):

Tab. 1: Messverfahren zur Charakterisierung Parameter Messmethode Partikelgröße Mastersizer / Nanosizer (Gerätevorschrift Malvern) Zetapotenzial Nanosizer (Gerätevorschrift Malvern) Morphologie Rasterelektronenmikroskop (PTS-interne Methode)

6.3 Papierherstellung im Labor

Vorgehen Papierartige Werkstoffe werden in einem Nassverfahren gebildet und anschlie-ßend getrocknet. Grundsätzlich wird zuerst eine Fasersuspension erzeugt und anschließend, durch Absaugung, auf einem Sieb ein Blatt gebildet.




Rapid-Köthen-Verfahren (RK-Verfahren)

Die Herstellung der Laborblätter erfolgte im Rapid-Köthen Laborblattbildner in Anlehnung an DIN EN ISO 5269-2. Das RK-Verfahren dient zur Herstellung runder Papierblätter mit einem Durchmesser von 20 cm. Damit lassen sich Papiere bzw. papierartige Werkstoffe ohne bevorzugte Faserausrichtung im Labormaßstab erstellt.

Dynamischer Blattbildner (DBB)

Ergänzend wurden im Labor noch Versuche zur Blattbildung mit dem DBB durchgeführt. Der DBB erlaubt die Herstellung rechteckiger Blätter im Format 17 cm x 38 cm. Im Gegensatz zum RK-Verfahren zeigen die mit dem DBB herge-stellten Laborblätter eine Faserorientierung. Der Grad der Faserausrichtung korreliert dabei mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel des Blattbild-ners.

6.4 Papierherstellung im Technikum – Versuchspapiermaschine (VPM)

Aufbau Ein wichtiges Bindeglied hinsichtlich einer Übertragbarkeit der Ergebnisse in die industrielle Praxis stellt die Papierversuchsanlage (VPM) im Technikum der PTS dar. Im halbtechnischen Maßstab können die Rohpapiere für die Herstellung der Papierstrukturen auf einer Bahnbreite von ca. 40 cm kontinuierlich hergestellt werden. Die Versuchspapiermaschine ist modular aufgebaut. Optional können zwei Grundprinzipen der Entwässerung angewandt werden: - Langsiebtechnologie (Entwässerung der Faserstoffsuspension durch Aufgie-

ßen auf ein Sieb) - überwiegend für Druckpapiere, Verpackungspapiere - Schrägsiebtechnologie (Entwässerung der Faserstoffsuspension durch

Schöpfen mittels Sieb) – überwiegend für Vliesstoffe, Spezialpapiere.

Abb. 5: Versuchspapiermaschinen: a) Langsiebvariante b) Schrägsieb Verschiedene Stoffaufläufe gestatten eine Anpassung an das Stoffsystem (Rundverteiler, Querstromverteiler mit unterschiedlichen Durchmessern der Stoffzuführung).

a) b)




Blattbildung VPM - Option Lang-sieb und Schräg-sieb

Mit der Versuchspapiermaschine können faserbasierte bahnförmige Materialien im Flächenmassebereich von 25 g/m² bis ca. 200 g/m² (Faserstoff) hergestellt werden. Eine definierte Einbringung verschiedenartiger Füllstoffe ist möglich (Füllgrade bis 80 %). Des Weiteren sind hohe Anteile von Synthesefasern verarbeitbar. Die Langsiebvariante ermöglicht eine Simplexfahrweise. Mit dem vorhandenen Obersieb kann eine Duplexfahrweise realisiert werden. Ein wesentlicher Unterschied zur Langsiebvariante besteht im Verdünnungsgrad der Faserstoffsuspension. Bei der Schrägsiebtechnologie kann mit einem wesentlich höheren Verdünnungsgrad (Faktor 10) gearbeitet werden. Das gestattet die Nutzung längerer Fasern sowie auch den Einsatz von synthetisch hergestellten Fasern. Die Pilot-Schrägsiebanlage der Forschungsstelle verfügt über einen 2-Schicht-Stoffauflauf. In Kombination mit dem Obersieb lässt sich damit eine Triplexfahrweise realisieren und damit faserbasierte Produkte aus bis zu drei Einzellagen erzeugt werden.

6.5 Charakterisierung der papierartigen Werkstoffe im nichtimprägnierten Zustand

Messverfahren Die folgenden Messverfahren wurden zur Charakterisierung der Eigenschaften der papierartigen Werkstoffe im Rahmen von AP 3 bis AP 6 angewandt. Die Ergebnisse dienen auch zur Abschätzung der Verarbeitbarkeit (z.B. Faltbarkeit) der papierartigen Medien, vgl. Tab. 2.

Tab. 2: Angewandte Messverfahren

Parameter Messmethode Grundeigen-schaften

Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2 Dicke DIN EN ISO 534

Mechanische Eigenschaften

Bruchkraft, Bruchdehnung DIN EN ISO 1924-2 Biegesteifigkeit DIN 53123-1 Streifenstauchwiderstand DIN 54518

Mikroskopische Verfahren

Lichtmikroskop PTS-interne Methode Rasterelektronenmikroskop PTS-interne Methode

6.6 Analytik der papierartigen Werkstoffe im imprägnierten Zustand

Messverfahren Die Messverfahren gemäß Tab. 3 wurden zur Charakterisierung der Papierei-genschaften im Rahmen von AP 8.1 und AP 8.2 angewandt. Zug- und Biegever-suche wurden bei 2 mm/min und Druck- und Schubversuche bei 0,5 mm/min durchgeführt. Tab. 3: Normverfahren zur Charakterisierung imprägnierter Materialien Parameter Messmethode Dicke DIN EN ISO 534

Zugsteifigkeit, Zugfestigkeit DIN EN ISO 1924-2

Biegesteifigkeit DIN 53121




6.7 Verfahren zur Sandwichkerncharakterisierung

Normverfahren Die Messverfahren gemäß Tab. 4 wurden zur Charakterisierung der Sandwich-kerneigenschaften im Rahmen von AP 8.3 angewandt. Sämtliche Versuche wurden mit einer Prüfgeschwindigkeit von 0,5 mm/min durchgeführt. Tab. 4: Normverfahren zur Charakterisierung von Sandwichkernen Parameter Messmethode Raumgewicht DIN EN ISO 845

Druckfestigkeit, Drucksteifigkeit DIN 53291

Kernschubprü-fung

Die Norm DIN 53294 beschreibt ein Schubprüfverfahren für Sandwichkernstruk-turen. Diese ist für die Bestimmung von Schubkennwerten, wie sie für Simulatio-nen benötigt werden, nur bedingt tauglich, da eine ungleichmäßige Dickenände-rung des Kerns möglich ist, und somit keine reine Schubbelastung herrscht. Daher wurde am ILR der TU Dresden die eigens entwickelte Prüfung mittels eines Kernschubrahmens angewandt, siehe Abb. 6. Das Messverfahren wurde im Rahmen von AP 8.3 eingesetzt.

a) b) Abb. 6: Kernschubprüfung: Ein Schubrahmen ermöglicht über Gelenke eine über die Probenfläche gleichmäßige Krafteinleitung. Im nicht-ausgelenkten Zustand (a) erfährt die Probe keine Belastung. Über die Kraft F wird eine gleichmäßige Schubbelastung in die Probe eingebracht. Aus dem gemessenen Weg Δl wird der Schubverzerrungswinkel Δγ bestimmt.




6.8 Verformungsmessung mit ARAMIS

ARAMIS-System Zur Verformungsmessung kam ein ARAMIS 3D 6M System der Firma GOM (Gesellschaft für optische Messtechnik) zum Einsatz (siehe Abb. 7). Das System misst Deformationen und Verschiebungen von Proben und Bauteile berührungs-los und materialunabhängig nach dem Prinzip der digitalen Bildkorrelation durch zwei Kameras, die Bilder von definierten Messpunkten oder von einem stochasti-schen Muster aufnehmen. Das ARAMIS System kam im AP 8 zum Einsatz.

Abb. 7: ARAMIS 3D 6M adjustable base

6.9 Auswerteverfahren zur Bestimmung von Material- und Sandwichkernparametern

Messverfahren - Aufgenommene Messdaten

Bei allen Versuchen im Arbeitspaket 8 wurden Kraft-Weg- und wenn möglich Kraft-Dehnungs-Kurven aufgenommen. Daraus waren relevante mechanische Kennwerte für die Auswertung und Simulation abzuleiten.

Maximale Spannung

Die maximale Spannung wurde bei Vorhandensein des Punktes F in diesem Punkt definiert, vergleiche Abb. 8. Bei den meisten Untersuchungen war aus-schließlich das Maximum im Punkt D vorhanden. Abweichungen hiervon sind mit dem Index F gekennzeichnet.

Steifigkeit Die Anfangssteifigkeit einer Probe wurde aus den Spannungs-Dehnungs-Kurven bestimmt, vergleiche Abb. 8 a). Da es aufgrund verschiedener Effekte zu einem Anschwingbereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve kommen konnte (z.B. durch Setzvorgänge in der Prüfvorrichtung) und aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Probenaufnahme, wurde der Anstieg der Kurve über das Sekanten-Ver-fahren in Abhängigkeit der Dehnung bestimmt. Dabei wird der Verlauf des Sekanten-Moduls über

𝐸𝑠(𝜀) = 𝜎(𝜀+𝑑𝜀)−𝜎(𝜀−𝑑𝜀)(𝜀+𝑑𝜀)−(𝜀−𝑑𝜀) ,

bestimmt, wobei 𝑑𝜀 eine dem Versuch angepasste Größe ist. Somit ergibt sich eine Abhängigkeit des Sekanten-Moduls von der Dehnung, wie sie in Abb. 8 b) dargestellt ist. Dabei ist Bereich A der Anfangsbereich und C der nichtlineare Bereich. Zu Bestimmung der Steifigkeit wurde ausschließlich Bereich B verwen-det. Die Grenzdehnungen 𝜀𝐵1 und 𝜀𝐵2 waren Konfigurationsabhängig und mussten bestimmt werden. Die gesuchte Steifigkeit ergab sich aus dem Mittel-wert des Sekanten-Moduls innerhalb der Grenzdehnungen:

𝐸 = 1𝜀𝐵2−𝜀𝐵1

∫ 𝐸𝑠(𝜀)𝑑𝜀𝜀𝐵2𝜀𝐵1




Beispiel Spannungs-Dehnungs-Dia-gramm / Sekanten-Modul-Dehnungs-Diagramm

Abb. 8: Darstellung eines typischen Spannungs-Dehnungs-Diagramms sowie die Ableitung des zugehörigen Sekanten-Modul-Dehnungs-Diagramm.

6.10 Modellierung von Falt- und Honigwabenstrukturen

Das Programm SandMesh 2.1.0

SandMesh ist ein Programm zur Erstellung von finiten Element Modellen von Sandwichstrukturen. Es wurde am ILR der TUD entwickelt und kam in den Arbeitspaketen 10 und 11 zum Einsatz.

Abb. 9: Oberfläche von SandMesh 2.1.0




Benötigte Parameter von Falt- und Honig-wabenkernen

Für die Erstellung der Netze wurden geometrische Parameter benötigt. Diese waren zum einen Parameter der idealen Geometrie gemäß Abb. 10 und Tab. 5. Weiterhin wurden Imperfektionsparameter benötigt, wie die Welligkeit 𝑎� und die zufälligen Knotenabweichung �̂�. Beide Parameter werden benötigt um die real auftretenden Abweichungen von der Idealgeometrie innerhalb des FE-Modells abbilden zu können. Tab. 5: Geometrische Parameter von Honigwaben- und Faltkernen Honigwabenkern Faltkern Bezeichnung Bezeichnung 𝑯 Kernhöhe 𝐻 Kernhöhe

𝒂𝑯𝑯 Länge doppelte Wabenwand 𝐿𝐹𝐹 Halbe Länge in L-Richtung

𝒃𝑯𝑯 Länge einzelne Wabenwand 𝑉𝐹𝐹 Versatz in L-Richtung

𝒓𝑯𝑯 Radius der Harzecken 𝑆𝐹𝐹 Halbe Breite in W-Richtung

𝜽𝑯𝑯 Expansionswinkel der Wabe 𝛾𝐹𝐹 Winkel zwischen L-Linien

𝜓𝐹𝐹 Winkel zwischen W-Linien

𝛼𝐹𝐹 Faltkernwandwinkel

Abbildung geometrischer Parameter

Abb. 10: Darstellung der teilweise redundanten Parameter von a) Honigwaben und b) Faltkernen

6.11 Explizite Simulation

Das Programmpaket LS-DYNA und LS-PrePost

LS-DYNA ist ein Simulationsprogramm von Livermore Software Technology Corporation (LSTC), welches mit Hilfe der Finiten-Element-Methode arbeitet und explizit wie auch implizit rechnen kann. Es ist besonders geeignet für nichtlineare und hochdynamische Problemstellungen. In den Arbeitspaketen 9, 10 und 11 kam die selbstkompilierbare Version 971 R9.0.1 für MPP-Rechnungen (Massi-vely Parallel Processing) zum Einsatz. LS-PrePost ist ein Pre- und Postproces-sing Tool, welche ausschließlich zur Auswertung der Simulationsdaten zum Einsatz kam.




Nutzung des Programmpakets

Für eine gute Automatisierung wurden die Eingabedaten für LS-DYNA grund-sätzlich Skript-basiert an Eingabedateien übergeben. Rechnungen wurden auf verschiedenen Rechensystemen gemäß Tab. 6 durchgeführt. Tab. 6: Rechensysteme und ihr Einsatz in den Arbeitspaketen Rechensystem AP 9 Einzelrechner mit bis zu 8 CPU‘s

AP 10 und AP 11 Rechencluster des ILR’s mit bis zu 64 CPU‘s

AP 11 Hochleistungsrechner der TU Dresden: Bull HPC-Cluster (Taurus) des ZIH mit bis zu 256 CPU’s

7 Definition von Anforderungen an den zu entwickelnden Papierwerkstoff (vgl. AP 1)

Vorgehen Hinsichtlich der Definition des Eigenschaftsprofils des zu entwickelnden Papier-werkstoffs für die Herstellung von Kernmaterialien erfolgte eine Marktrecherche zu Materialkomponenten von Sandwich-Strukturen (insbesondere zu Kernmate-rialien bzw. Kernwerkstoffen) für unterschiedliche Anwendungsbereiche mit einem Fokus auf Kernmaterial für Sandwich-Konstruktionen im Bereich der Luftfahrt. Dies beinhaltete u.a. Informationen zu Eigenschaften (Brandschutz, Struktureigenschaften, Verarbeitungseigenschaften, etc.). Weiterhin wurden Anforderungen an das zu entwickelnde Material analytisch hergeleitet.

Anforderungs-profil der Grundmaterialien

Im Forschungsvorhaben wurden luftfahrtechnische Normen verwendet, um somit das konservativste Anforderungsprofil an die Materialien zu stellen. Anforderun-gen wie Feuerbeständigkeit hängen vom Verwendungsort im Flugzeug ab. Auch hier wurden die konservativsten Werte angenommen, siehe Tab. 7. Tab. 7: Wichtige Anforderungen nach RTCA-DO-160D, CS-25, ABD0100

Tempe-ratur

Luftfeuch-tigkeit

Feuerbeständigkeit Flüssigkeitsbe-ständig

biologisch beständig

-40 °C +70 °C

bis 95 % RH

Geringe nicht-toxische Rauchentwicklung,

Nicht brennbar/selbst-verlöschend in 12 s

Wasser, Öl, Isopropyl-

Alkohol, Brenn-spiritus

gegen Pilze und

Zersetzpro-zesse




Mechanische Anforderungen

Ziel war es die mechanische Belastbarkeit des Materials bei Verwendung in Falt- und Honigwabenkernen zu erhöhen. In Abb. 11 ist das prinzipielle Versagens-verhalten eines Faltkerns (Beulen der Faltkernwände) für eine Belastung normal zur Sandwichebene dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, dass jede Zellwand ein Plattenbeulen aufweist. Daraus resultierte das Ziel der Erhöhung der Biegestei-figkeit des Materials.

Abb. 11: Beulen eines Faltkerns (a) und einer Zellwand (b) unter Drucklast

Literaturrecher-che bezüglich der Erhöhung der Biegesteifigkeit von Kernwänden

Es gibt verschiedene Möglichkeiten um die Steifigkeiten von Sandwichkernwän-den zu erhöhen. Die üblichste Methode wird bei der Herstellung von Honigwa-benkernen angewandt. Hier wird der Kern einfach oder mehrfach mit Phenolharz beschichtet, um so eine Materialaufdickung zu erreichen. Die gewichtsspezifi-schen mechanischen Eigenschaften können so zum Teil gar nicht oder nur geringfügig verbessert werden. Eine andere Methode wird von Zakirov et al. vorgestellt. Dabei werden „Rillen“ als Versteifungselemente in das Papier geprägt [58]. Durch die gekrümmte Form wird die Eigensteifigkeit der Platte erhöht. Die Materialeigenschaften werden dadurch jedoch negativ beeinflusst.

Ansatz des dreilagigen adaptierten papierartigen Werkstoffes

Abb. 12: Klassischer und dreilagiger adaptierter papierartiger Werkstoff (APW) Im entwickelten Ansatz wurde ein klassisches Material in drei Lagen aufgeteilt und allein die Mittellage so modifiziert, dass das Material das gleiche Flächen-gewicht wie das klassische hat, vergleiche Abb. 12.

Ergebnis - Materialauswahl

Die Materialentwicklung für das Sandwichsystem mit Zellkern orientiert sich an den höchsten Anforderungen hinsichtlich der Anwendung, die aus dem Bereich der Luftfahrt stammen. Grundsätzliche Anforderungen hinsichtlich der Material-entwicklung für einen Faltkernwerkstoff sind daher eine geringe Brandlast und hinsichtlich des Projektziels der Verbesserung der Beulsteifigkeit des Faltkerns im fertigen Sandwich eine entsprechende Gestaltung des Werkstoffs. Dies bezieht sich auf die Eigenschaften des Materials selbst (hohe Steifigkeit durch Erhöhung des Volumens bei gleichbleibendem Gewicht) sowie auf eine entspre-chende strukturelle Gestaltung, die über einen mehrlagigen Aufbau realisiert werden soll.




Ergebnis – Verbesserungs-potenzial

Abschließend konnte festgestellt werden, dass mit Hilfe des erarbeiteten analyti-schen Ansatzes eine schnelle Abschätzung der Verbesserung bei gegebenen geometrischen und werkstoffspezifischen Parametern möglich ist. Es konnte ein Besserungsfaktor von 150 % bis maximal 225 % abgeschätzt werden (bei gleichem Flächengewicht, einer Dickenerhöhung auf 150 %, eine 48 % leichteren Mittellage und einer Vernachlässigung der Tragfähigkeit der Mittellage).

8 Rohstoffauswahl, -beschaffung, Grundcharakterisierung und Versuchsprogramm für Laborversuche zur Materialherstellung (vgl. AP 2)

Vorgehen Basierend auf dem Anforderungsprofil für den Papierwerkstoff erfolgten die Auswahl und die Beschaffung der Faserstoffe, Füllkörper und Additive für die Versuche. Im Vorfeld erfolgte dazu eine Recherche zu Faserstoffen mit hoher Temperaturbeständigkeit/geringer Brandlast und zu potenziellen Füllkörpern unter dem Aspekt Gewicht und Volumenvergrößerung im papierartigen Werk-stoff. Die Faserstoffe wurden im Hinblick auf die Blattbildungseigenschaften hinsichtlich ihrer Morphologie (mikroskopische Analysen) bzw. ihrer Ladungsver-hältnisse charakterisiert. Dazu wurden sowohl die vom entsprechenden Herstel-ler vorliegenden Informationen ausgewertet als auch Laboruntersuchungen durchgeführt. Entsprechend dem Lösungsansatz erfolgte die erste Aufstellung des Versuchsprogramms für die Herstellung des Papierwerkstoffs im Labormaß-stab.

8.1 Überblick über die Faserstoffe für die Versuche zur Werkstoffherstellung

Ergebnisse – Auswahl der Fasern

Aufstellung der ausgewählten und im Rahmen von AP 3 untersuchten bzw. eingesetzten Faserstoffe: − Aramidfasern

o Aramid-Pulp A (gemahlen) o Aramid-Pulp B (gemahlen) o Aramid-Fibride C (gesponnen) o Aramid-Kurzschnitt-Faser D

− Mineralische Fasern o Glasfaser A o Glasfaser B o Basaltfaser

− Carbonfaser − ‚Hochtemperaturfasern‘ – Kurzschnitt

o PPS - Polyphenylsulfid o PI - Polyimid o PEEK - Polyetheretherketon o PEI - Polyetherimid o PET - Polyethylenterephtalat

Bei einigen Versuchs-Varianten – insbesondere im Rahmen von Vorversuchen – wurden auch geringe Anteile an ‚pflanzlichen Fasern‘ eingesetzt. Dabei handelte es sich um Langfaser-Sulfat-Zellstoff sowie um Abaca.




Fasertypen - Aramid

Aramidfasern nehmen aufgrund ihrer Eigenschaften (Faserstruktur - Feinheit, Brandverhalten) im Hinblick auf das Anforderungsprofil für den Werkstoff eine herausragende Stellung ein. Hinsichtlich geeigneter Aramidfasern stehen mehre-re grundsätzlich verschiedene Faserstoffe zur Auswahl: - Aramid-Kurzschnitt (Stapelfasern): glatte, homogene Faseroberflächen,

einheitliche Faserlängen, werden in Form geschnittener Faserbündel gelie-fert

- Aramid-Pulp: nass-mechanisch aufbereitet (gemahlene) Aramidfasern, leicht fibrillierte Faseroberflächen (siehe Abb. 13, rechts), breite Faserlängenvertei-lung

- Aramid-Fibride: aus der Spinnlösung gefällte Feinstfasern, heterogene Fasermorphologie, z.T. plättchenartige Strukturen (siehe Abb. 13, links)

Aramidfasern: Faser-Charakte-risierung

Abb. 13: REM-Aufnahmen (x500) von Aramid-Fibriden, gesponnen (links) und Aramid-Pulp, gemahlen (rechts)

Aramidfasern: Faser-Charakte-risierung

Die Aramid-Fibride, die aus der Lösung heraus in einem hohen Scherfeld ausge-fällt werden, zeigen deshalb eine homogenere Feinstruktur, mit häutchenartigen Feinstfasern. Der Aramid-Pulp (gemahlene Aramidfasern) hingegen zeigt die typische Ausbildung von Fibrillen, die sich in Verästelungen von der ursprüngli-chen Hauptfaser abheben – ähnlich dem Mahlprozess klassischer Zellstofffa-sern. Insbesondere den fibrillierten Strukturen kommt im Hinblick auf die Blattbildung und den Aufbau der Festigkeit des Blattes eine große Bedeutung zu (mechani-sches Verfilzen / Verhaken der Faser-Fibride).

Mineralische Fasern / Carbonfasern

Anorganische Fasern auf Basis von Steinwolle, Glas oder Basalt aber auch Carbonfasern finden häufig Anwendung in der Verstärkung von Kunststoffkom-positen. Im Bereich der Spezialpapiere werden sie häufig zur Erhöhung der Steifigkeit und/oder für Anwendungen im Hochtemperaturbereich eingesetzt. Aufgrund des spezifischen Fasergewichtes kommen für den Werkstoff vor allem Carbon- oder Basaltfasern in Frage. Beide Fasertypen sind in diversen Schnitt-längen zwischen 3 mm und 12 mm kommerziell erhältlich.




Polymere Hoch-temperaturfaser - Fasertypen

Die Eignung polymerer Synthesefasern mit erhöhter Temperaturbeständigkeit für die Herstellung des papierartigen Werkstoffs sollte untersucht werden. Folgende Fasertypen kamen hierfür in Frage: - Polyphenylensulfid (PPS) - Polyimid-Faser (PI) - Polyetheretherketon (PEEK) - Polyetherimid (PEI) - Flammhemmend ausgerüstetes Polyester (PET) Eingesetzt wurden Kurzschnittvarianten mit Faserlängen von 5-6 mm.

8.2 Überblick über die Füllkörper für die Versuche zur Werkstoffherstellung

Ergebnisse - Auswahl der Füllkörper

Für die Versuche sollten sogenannte Leichtfüllstoffe eingesetzt werden (ein wesentliches Auswahlkriterium). Darunter sind Füllstoffe zu verstehen, welche aufgrund ihrer geringen Rohdichte - in erster Linie verursacht durch eine innere Porosität und ihrer geometrischen Form - das Papiergefüge derart beeinflus-sen, dass das spezifische Volumen erhöht wird. Weiterhin sollten diese Füll-körper im papiertechnischen Nassprozess einsetzbar sein (geeignete Partikel-größe). Ausgewählte Füllkörper: − Blähglasgranulat BG1 − Blähglasgranulat BG2 − Perlit − Glashohlkugeln GK1 − Glashohlkugeln GK2 − Expandierbare Mikrosphären

8.3 Werkstoffherstellung - Versuchsplanung

Hintergrund Fokus hinsichtlich der Materialentwicklung für den Kernwerkstoff liegt auf der Verbesserung der Biegesteifigkeit. Da sich diese Entwicklung hinsichtlich des Anforderungsprofils an Materialien orientiert, die im Bereich der Luftfahrt einge-setzt werden (‚höchste‘ Anforderungen), sind dabei weitere Aspekte, wie Brand-schutz / Leichtbau (gewichtsspezifische Eigenschaften) zu berücksichtigen. Dies schlägt sich in einer entsprechenden Vorgehensweise bei der Materialentwick-lung sowie in der Auswahl der dafür eingesetzten Materialkomponenten wieder.

Versuchspla-nung zur Entwicklung Faltkernwerkstoff

Die Anforderungen an den zu entwickelnden Papierwerkstoff für das Kernmateri-al spiegeln sich in den Lösungsansätzen (Arbeitspakete 3 bis 5) wider. In aufei-nander aufbauenden Schritten erfolgt zunächst die Entwicklung eines einlagigen Papierwerkstoffs mit spezifischer Faserstruktur, gefolgt von der Herstellung eines einlagigen Papierwerkstoffs unter Einsatz von leichten Füllkörpern sowie der Realisierung eines mehrschichtigen Aufbaus mit einer Innenschicht mit leichten Füllkörpern. Die Ergebnisse der Untersuchungen zu den einlagigen Papierwerk-stoffen dienen somit als Basis für die mehrlagigen Strukturen.

Die Versuchsplanung fokussiert im ersten Schritt auf die Realisierung der Blatt-




bildung mit flammhemmenden / temperaturbeständigen Fasern und der Erzie-lung höchstmöglicher Festigkeiten des Papierwerkstoffs ohne Einsatz von pflanzlichen Fasern (‚Wasserstoffbrückenbindungen‘). Bei der Entwicklung des einlagigen Papierwerkstoffs wurde daher ein iteratives Vorgehen gewählt, wobei die Kombination unterschiedlicher Faserarten, deren Einsatzmengen sowie der Einsatz eines spezifischen Bindemittels variiert wurden.

Faserstoff-Screening

Dieses Faserstoff-Screening beinhaltet − Vorversuche zur Faserauswahl für die Blattbildung (Fasersuspendierung,

Blattbildung im Labormaßstab) zur Ermittlung der grundsätzliche Einsatz-möglichkeit der ausgewählten Fasern bei der Blattbildung im Nassprozess

− Versuche zur Blattbildung im Labormaßstab mit unterschiedlichen Faserstoff-Systemen basierend auf den Ergebnissen der Vorversuche:

o Ausgangsbasis = Aramid-Faserstoff-System unter Einsatz von Ara-mid-Fibriden

o Anteiliger Ersatz des Aramid-Anteils durch andere Fasern Erhö-hung Volumen / Biegesteifigkeit

o Versuche mit / ohne Phenolharzeinsatz in der Masse – Ausloten der Einsatzmöglichkeit von Massephenolharz zum Aufbau der Festigkeit des flächigen Werkstoffs.

Die Materialeigenschaften der Grundcharakterisierung im nichtimprägnierten Zustand sowie der Charakterisierung unter AP 8 (insbesondere im imprägnierten Zustand) fließen in die jeweiligen Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich der Werkstoffentwicklung ein.

9 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 3)

9.1 Vorgehen

Entwicklungs-phasen

Es erfolgte zunächst die Entwicklung von einem einlagen Basismaterial, das hinsichtlich des Anforderungsprofils im Wesentlichen aus nicht brennba-ren/selbstverlöschenden Fasern besteht. Durch Variation der Faserart bzw. Faserstruktur wurde dabei insbesondere auf die Eigenschaften Biegesteifigkeit bzw. Volumen als wesentliche Eigenschaften in Bezug auf die Schubsteifigkeit eingewirkt. Der Fokus bei der ersten Rezepturentwicklung lag auf möglichst hohe Festigkeitseigenschaften des papierartigen Werkstoffs bei - im Hinblick auf die Anforderung ‚flammhemmend‘ - weitgehenden Verzicht auf pflanzliche Fasern. Aus diesem Grund erfolgten die ersten Entwicklungsschritte unter Einsatz eines Bindemittels. Betrachtet man die Faserauswahl (AP 2), so greifen die beim klassischen Papierherstellungsprozess mit pflanzlichen Fasern vorliegenden Mechanismen für die Ausbildung der Festigkeit des Papiers über Wasserstoffbrückenbindung nicht. Aus diesem Grund wurde im ersten Schritt ein Versuchsaufbau gewählt, bei dem ein spezielles Bindemittelsystem zum Einsatz kam.




Überblick Faser-stoff-Screening / Blattbildung

Bezugnehmend auf die unter AP 2 definierte Vorgehensweise, wurden im Rahmen der Versuche zur Herstellung des einlagigen Papierwerkstoffs – basie-rend auf dem Aramid-Faserstoff-System - folgende Parameter untersucht: - Aramid-Faserstoff – Typ der fibrillierten Aramidfasern - Aramid-Faserstoff – Anteiliger Einsatz von Aramid-Kurzschnitt-Fasern - Faserstoffsystem – Anteiliger Einsatz von Mineral-/Carbonfasern - Faserstoffsystem – Anteiliger Einsatz von Hochtemperaturfasern

Im ersten Schritt wurden Versuche sowohl mit als auch ohne Einsatz des Binde-mittel-Systems durchgeführt. Nachfolgend sind ausgewählte Ergebnisse der Untersuchungen wiedergegeben.

9.2 Faserstoffaufbereitung

Faserstoff-Dispergierung / Suspendierung

Für die verwendeten Spezialfasern musste im ersten Schritt ein jeweils auf die Fasern abgestimmtes Dispergier- bzw. Suspendierverfahren entwickelt werden. Im Fokus stand die Suspendierfähigkeit der Fasern im wässrigen Medium und deren Vereinzelung, da beides wichtige Voraussetzungen für ein homogenes Blattbild darstellen. Die Betriebsbedingungen der üblicherweise eingesetzten Aggregate, wie Rührwerke, Standarddesintegrator, Stoffverteiler mussten auf den jeweiligen Faserstoff angepasst werden. Dabei wurden z.B. im Labordesin-tegrator sowohl Aufschlagdauer als auch Stoffkonzentration im Desintegrator an die jeweiligen Fasern angepasst. Auch die weitere Verdünnung im Stoffverteiler wurde faserspezifisch angepasst.

Ergebnis Die verschiedenen Fasertypen zeigten sehr unterschiedliches Verhalten im Nassprozess. Während Aramid-Pulp und die Aramid-Fibride leicht benetzbar und weitgehend homogen suspendierbar sind, ist bei den Aramid-Kurzschnitt-fasern eine erhöhte Dispergierzeit und -energie nötig, um eine homogene Faserverein-zelung zu erreichen. Die Hochtemperaturfasern (Kurzschnitt) waren teilweise gut zu vereinzeln, manche Typen neigten stark zum Schäumen (PI, PEEK) oder zum Aufschwimmen (PPS, PEEK). Carbonfasern verlangen ein spezifisches Handling hinsichtlich ihres Einsatzes bei der Herstellung des papierartigen Werkstoffs (Rührvorgang). Die Vorgehensweise ist darüber hinaus auf die jeweilige Kombi-nation von Fasern anzupassen (spezifisches Aufbereitungsregime). Ein Beispiel - Kombination Aramid-Faserstoff (Aramid-Fibride C + Aramid-Kurzschnitt-Fasern D) mit einem Anteil Carbonfasern - ist nachfolgend wiederge-geben: 1. Desintegration Aramid-Fibride 10 min im Standarddesintegrator bei 1 %

Stoffdichte 2. Zugabe der Aramid-Kurzschnitt-Fasern – gemeinsame Desintegration 20 min

im Standarddesintegrator bei 1,2 % Stoffdichte 3. Carbonfasern – 35 min Suspendieren mit Jet-Rührer bei 0,7 % Stoffdichte 4. Desintegration Carbon-Faser-Suspension mit Aramid-Suspension 25 min im

Standarddesintegrator 5. Überführen im Stoffverteiler – Verdünnen auf 0,15 % Stoffdichte. Die Stoffdichte im Verteiler ist abhängig von der eingesetzten Faserart und liegt




im Bereich von 0,15 % bis 0,4 %. Die Ergebnisse des Faserstoffscreenings zeigten auch, dass die eingesetzten Glasfasern für eine Blattbildung nicht geeignet sind. Bereits bei der Stoffvorberei-tung (Dispergierung / Suspendierung im Verteiler) trat ein massives Zusammen-ballen der Fasern ein, welches beim Einsatz des Bindemittelsystems noch verstärkt wurde. Versuche zur Anpassung der Dispergierbedingungen waren nicht erfolgreich. Glasfasern wurden im weiteren Verlauf der Projektbearbeitung daher nicht mehr berücksichtigt.

9.3 Bindemittelsystem

Ziel Fokus im ersten Ansatz bei der Entwicklung des papierartigen Kernwerkstoffs war die Realisierung der Blattbildung verbunden mit hohen Festigkeitseigen-schaften. Dazu wurde u.a. ein spezifisches Bindemittelsystem eingesetzt, das die Integration eines Phenolharzes in Masseanwendung ermöglicht.

Papierwerkstoff - Einsatz Binde-mittelsystem

Für den erfolgreichen Einsatz des Systems waren umfangreiche Vorversuche zur Anpassung /Adaption des Systems notwendig (Flockungsversuche), um insbesondere eine ausreichende Retention des Phenolharzes in der Papiermas-se zur erreichen. Notwendig dafür ist eine speziell angepasste Verfahrensweise, welches bei einem Teil des Faserstoff-Screenings zum Einsatz kam. Nachfol-gende Abbildung zeigt ein erfolgreiches System, welches im Rahmen der Untersuchungen identifiziert werden konnte.

Papierwerkstoff - Einsatz Binde-mittelsystem

Abb. 14: Verfahrensweise: Einsatz von Phenolharz als Bindemittel in der Masse

vorgefälltes Harz

Schwefelsäure (H2SO4)

Polyacrylamid (PAM)

Reihenfolge

3 % der Trockenmasse des Blattes

Menge abhängig von flächenbez. Masse

Harz einwiegen, mit H2SO4 bis pH < 3,5 ansäuern Harz fällt aus

bis pH < 3,5

0,01 % der Trockenmasse des Blattes

Menge (Beispiel)

Wartezeit: 30 s

Wartezeit: 30 s

Faserstoffsuspension

Latex

Aluminiumsulfat (Al2SO4)




9.4 Herstellung Papierwerkstoff – Einsatz Faserstoff auf Basis Aramid

Blattbildungs-versuche

Die Versuche zur Herstellung des Papierwerkstoffs erfolgten am RK-Labor-blattbildner. Es wurde eine flächenbezogene Masse von 50 g/m² (Zielwert) angestrebt. Zum Vergleich wurden für eine Reihe der Rezepturvarianten auch Laborblätter mit einer flächenbezogenen Masse von 100 g/m² hergestellt.

Papierwerkstoff - Typ fibrillierte Aramidfasern

Wie im Vorfeld durch Vorversuche ermittelt werden konnte, ist hinsichtlich einer adäquaten Blattbildung mit einer grundlegenden Festigkeitsausbildung ein zumindest anteiliger Einsatz von fibrillär vorliegendem Faserstoff notwendig. Bei den ersten Versuchen zur Blattbildung wurde im Hinblick auf die Blattbildungsei-genschaften zum Teil noch ein geringer Zellstoffanteil mit eingesetzt. Die Versu-che erfolgten sowohl ohne als auch mit dem Phenolharz-Bindemittel (Ziel ca. 15 % Phenolharz in der Masse).


Abb. 15: Reißlänge der Laborblätter: versch. fibrillierte Aramidfasern

Abb. 16: Biegesteifigkeit der Laborblätter: versch. fibrillierte Aramidfasern

758927

49255134

10771507

4710 4576

0

2000

4000

6000Reißlänge in m

ohne mit Masseharz bei Blattbildung

Aramid-Pulp A10 % Zellstoff

Aramid-Pulp B10 % Zellstoff

Aramid-Fibride C10 % Zellstoff

Aramid-Fibride C

Flächenbez. Masse ca. 50 g/m²

0,060,07

0,100,090,08

0,07

0,110,11

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20Biegesteifigkeit (Resonanzlängenverfahren) in Nmm


Aramid-Pulp A10 % Zellstoff

Aramid-Pulp B10 % Zellstoff

Aramid-Fibride C10 % Zellstoff

Aramid-Fibride C






Der Vergleich der verschiedenen fibrillierten Aramidfaserstofftypen zeigte, dass mit Fibride C sehr homogene, glatte Papierwerkstoffe herstellbar sind, die mit Abstand die höchste mechanische Festigkeit zeigen (siehe Abb. 15). Mit Aramid-Pulp A und B war dagegen keine homogene Blattbildung möglich, was sich in entsprechende Festigkeitseigenschaften niederschlägt. Hier war ein positiver Einfluss des Harzes auf die Festigkeit erkennbar. Bei den Laborblättern mit Fibride C ist kein signifikanter Einfluss des Harzes bzw. des Zellstoff-Anteils feststellbar. Die Werte für die Biegesteifigkeit zeigen eine ähnliche Tendenz: die Laborblätter mit Fibride C weisen auch hier die besten Eigenschaften auf.

Papierwerkstoff - Aramid-Fibride in Kombination mit Aramid-Kurz-schnitt-Fasern

Die weiteren Versuche erfolgten auf Basis der Aramid-Fibride C. Ziel war eine Modifikation der Rezeptur insbesondere hinsichtlich einer Verbesserung der Biegesteifigkeit. Deshalb erfolgten Versuche zum anteiligen Ersatz der Fibride durch Aramid-Kurzschnitt-Fasern. Ein weiterer Aspekt stellt der Kostenfaktor dar: Fibride sind ca. 1,8-mal so teuer wie Kurzschnitt. Notwendig für den Einsatz ist eine angepasste Aufbereitung/Suspendierung der Faserkomponenten.

Abb. 17: Zugfestigkeit (Reißlänge) der Laborblätter: Mischung Aramid-Fibride C mit unterschiedlichem Anteil Aramid-Kurzschnitt D

Abb. 18: Biegesteifigkeit der Laborblätter: Mischung Aramid-Fibride C mit unter-schiedlichem Anteil Aramid-Kurzschnitt D

5134

4300

30142701

1808

4576

3927

25992988

2421

0

2000

4000



0 %


20 % 30 % 40 % 50 % Anteil Kurzschnitt-Fasern

0,09

0,190,24 0,26

0,59

0,11

0,19

0,250,20

0,48

0

0,2

0,4

0,6



0 %


20 % 30 % 40 % 50 % Anteil Kurzschnitt-Fasern




Papierwerkstoff - Aramid-Fibride in Kombination mit Aramid-Kurz-schnitt-Fasern

Es zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Fibride auf die statische Festigkeit des Papierwerkstoffs (Reißlänge). Bei Zunahme des Anteils der Aramid-Kurzschnitt-Fasern tritt eine deutliche Verschlechterung der Formation des Blattes ein, was sich in einer Verringerung der Zugfestigkeit niederschlägt – es sinken Bruchkraft bzw. die Reißlänge. Phenolharz als Bindemittel hat darauf keinen bzw. nur einen vernachlässigbaren Effekt. Mit dem Einsatz der steiferen Kurzschnitt-Fasern erfolgt eine Verringerung der Dichte des Blattes (Schaffung von Poren, Erhöhung des spez. Volumens) und damit eine Zunahme der Biegesteifigkeit. Im Hinblick auf die angestrebte Verbesserung der Biegesteifigkeit und der Veränderung der Festigkeitseigenschaften lässt sich daraus ein Kompromiss hinsichtlich des Anteils der Kurzschnitt-Fasern ableiten, der etwa bei 20 % liegt.

9.5 Herstellung Papierwerkstoff – Anteiliger Ersatz von Aramidfasern durch Mineral-/ Carbonfasern

Ziel Im Hinblick auf die Erhöhung des spez. Volumens des Blattes und der damit einhergehenden Verbesserung der Biegesteifigkeit sollte im nächsten Schritt der anteilige Einsatz von Basalt- bzw. Carbonfasern untersucht werden (Ersatz Aramidkomponente - 80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt). Auch hier gilt, dass diese Fasern wegen Formation bzw. Festigkeit nur anteilmäßig einsetzbar sind.

Abbildung der Variation Anteil Basalt-/ Carbon-fasern

Abb. 19: Zugfestigkeit (Reißlänge) der Laborblätter – anteiliger Ersatz des Aramid-Faserstoffes durch Basalt- bzw. Carbonfasern

Abb. 20: Biegesteifigkeit der Laborblätter – anteiliger Ersatz des Aramid-Faserstoffes durch Basalt- bzw. Carbonfasern

Anteil Basalt-/Carbonfasern

43003871

3476

3927

3318

2666

3677 3701 3653

4594

0

2000

4000


BasaltfasernCarbonfasern

0 % 20 % 30 % 20 % 30 % 0 %

ohne Masseharz bei Blattbildung

mit Masseharz bei Blattbildung


0,190,15 0,15

0,190,14 0,14

0,45

0,72

0,26

0,53

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8


BasaltfasernCarbonfasern

0 %


20 % 30 % 20 % 30 % 0 %

ohne Masseharz bei Blattbildung

mit Masseharz bei Blattbildung

Anteil Basalt-/Carbonfasern




Variation Anteil Basalt-/ Carbon-fasern

Der anteilige Einsatz von Basalt- / Carbonfasern bewirkt eine Verringerung der Zugfestigkeit. Hier wird wieder deutlich, dass die Festigkeit über die Fibride generiert wird und deren Einsatz entscheidend für die Festigkeit ist. Der Einsatz von Harz in der Masse zeigt nur in Verbindung mit Carbonfasern eine geringe Erhöhung der statischen Festigkeit. Die Zumischung von Carbonfasern ergeben eine signifikante Erhöhung der Biegesteifigkeit, während die Beimengung von Basaltfasern kaum einen Effekt auf die Biegesteifigkeit besitzt.

9.6 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff – Anteiliger Einsatz von speziellen Kunststofffasern (Hochtemperaturfasern)

Ziel Eine weitere Option im Hinblick auf den Einsatz von Fasern mit geringer Brand-last stellen sogenannte Hochtemperaturfasern dar. Deren Auswirkung auf die Blatteigenschaften wurde am Beispiel einer Faserstoffmischung mit einem gewissen Anteil an Basaltfasern untersucht. Dabei erfolgte ein anteiliger Einsatz der Kunststofffasern zu Lasten der Aramidfaser-Komponente (Anteil 20 %). Zusätzlich wurde ein geringer Anteil an Bindefasern (PVA) eingesetzt.

Eigenschaften der Laborblätter bei anteiligem Einsatz von speziellen Kunststofffasern

Abb. 21: Zugfestigkeit (Reißlänge) der Laborblätter – anteiliger Ersatz des Aramid-Faserstoffes durch Hochtemperaturfasern

Abb. 22: Biegesteifigkeit der Laborblätter – anteiliger Ersatz des Aramid-Faserstoffes durch Hochtemperaturfasern

3476

1751

2349

16882007

1647

0

1000

2000

3000

4000

5000

PPS PI PEEK PEI PET

Reißlänge in m

ohne KF(Aramid / Basalt)

Zusammensetzung: 42 % Aramid, 33 % Basalt, 20 % Kunststofffaser, 5 % Bindefaser


0,15

0,11

0,16 0,17 0,160,15

0

0,1

0,2

0,3

0,4

PPS PI PEEK PEI PET

Biegesteifigkeit (Resonanzlängenverfahren) in Nmm

ohne KF(Aramid / Basalt)

Zusammensetzung: 42 % Aramid, 33 % Basalt, 20 % Kunststofffaser, 5 % Bindefaser





Anteiliger Einsatz von speziellen Kunststofffasern (Hochtemperatur-fasern)

Im Vergleich zu den Eigenschaften ohne Kunststofffasern ist eine deutliche Verringerung der statischen Festigkeitseigenschaften zu verzeichnen. Die Kunststofffasern tragen somit nicht zur Ausbildung von Festigkeit bei. Dies stellt noch mal die Bedeutung der Aramid-Fibride für die Gefügefestigkeit heraus. Ein Einsatz von Bindefasern kann dies nicht kompensieren. Die Hochtemperaturfa-sern leisten keinen wesentlichen Beitrag zur Biegesteifigkeit.

9.7 Blattbildungsversuche am Dynamischen Blattbildner (DBB)

Ergebnisse Basierend auf den vorliegenden Versuchsergebnissen wurden mit ausgewählten erfolgversprechenden Rezepturvarianten (Aramid-Faserstoff in Kombination mit Carbonfasern) Versuche am Dynamischen Blattbildner durchgeführt. Die Versu-che mussten auch nach entsprechender Anpassung der Rezeptur (z.B. Verzicht auf Aramid-Kurzschnitt-Fasern) bzw. der Stoffdichte jeweils nach kurzer Zeit abgebrochen werden, da die Auftragsdüse durch Verspinnungen verstopft wurde bzw. an den Übergängen der Rohrleitungen Batzenbildung und Verstopfung auftrat, bevor ein Laborblatt fertiggestellt werden konnte. Auch war die Blattbil-dung relativ inhomogen mit ungleichmäßiger Verteilung z.B. der Carbonfasern über die Blattdicke. Das Aggregat erwies als nicht geeignet für die Blattbildung mit den anvisierten Faserstoff-Kombinationen.

9.8 Zusammenfassung der Ergebnisse

Faserarten und Blattbildung

Kurz zusammengefasst ist die Erkenntnis aus diesem umfangreichen Screening bei der Herstellung eines einlagigen Papierwerkstoffs, wie folgt: − Für adäquate Blattbildung (Formation, Festigkeit) ohne pflanzliche Fasern

(keine Wasserstoffbrückenbindung) ist der Einsatz von fibrillierten Aramid-Fasern als Basisfasermaterial notwendig (fibrilläre Struktur ist für die Festig-keitsausbildung notwendig – mechanisches Verhaken / Reibungseffekte)

− Eine spezielle Art der fibrillierten Fasern erwies sich hinsichtlich der Verar-beitbarkeit bei der Blattbildung am geeignetsten. Dabei handelt es sich um gesponnene Fibride (Fibride C). Sie weisen die günstigsten Eigenschaften hinsichtlich Verarbeitung, Blattbildung (Formation) und Festigkeiten auf.

− Die Kombination von Aramid-Fibride mit Aramid-Kurzschnitt-Fasern verbes-sert deutlich die Biegesteifigkeit der Blätter, bei etwas geringeren Zugfestig-keiten: Bei zu hohem Stapelfaseranteil erfolgt eine deutliche Verschlechte-rung der Blattbildung (Formation) und damit der Blatteigenschaften. Ein Kompromiss ist die Kombination 80 % Fibride / 20 % Kurzschnitt.

− Glasfasern sind wegen mangelnder Vereinzelung für die Blattbildung nicht nutzbar

− Ein anteiliger Einsatz von Carbonfasern (zu Lasten des Aramid-Systems) steigert deutlich die Biegesteifigkeit der Blätter bei einer Verminderung der Zugfestigkeit

− Ein anteiliger Einsatz von Hochtemperaturfasern (zu Lasten des Aramid-Systems) hat geringfügigen Einfluss auf die Biegesteifigkeit der Blätter, ver-mindert Zugfestigkeit.




Einsatz von Bindemittel (Phenolharz) bei der Blattbildung

− Phenolharz als Bindemittel in der Masse hat nicht in allen Fällen eine Ver-besserung der Festigkeitseigenschaften der Blätter zur Folge, teilweise wird die Biegesteifigkeit verringert

− Wie die Ergebnisse aus AP 8 zeigten, verhindert der Einsatz von Phenolharz als Bindemittel in der Masse eine nachfolgende Imprägnierung des fertigen Papierwerkstoffs und ist deshalb nicht geeignet für die Herstellung des pa-pierartigen Werkstoffs für den Einsatz als Kernwerkstoff.

10 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper (vgl. AP 4)

Vorgehen Zur Beeinflussung der Mikrostruktur (Erhöhung des Volumens bei gleichbleiben-dem Gewicht) wurden Blattbildungsversuche unter Einsatz von leichten Füllkör-pern durchgeführt. Ausgehend von geeigneten Stoffsystemen aus AP 3 wurden ausgewählte Füllkörper (aus AP 2) unter Variation der Einsatzmenge in das Stoffsystem eingebracht. Die Durchführung der Blattbildungsversuche sowie deren Bewertung erfolgten analog zu AP 3. Nachfolgend sind ausgewählte Ergebnisse der Untersuchungen wiedergegeben.

10.1 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss Art und Anteil der Füllkörper

Vorgehen Zum Einsatz kam ein Basis-Faserstoffsystem mit Kombination von Aramid-Fibriden C und Aramid-Kurzschnitt-Fasern D (Verhältnis 80 / 20). Die Blattbil-dung erfolgte mit unterschiedlichen Arten und unterschiedlichen Anteilen an Füllkörper im Bereich von 10-30 % zu Lasten des Aramidfaseranteils.

Ergebnisse

Abb. 23: Reißlänge der Laborblätter – anteiliger Ersatz durch Füllkörper

Mit zunehmender Füllkörpermenge zu Lasten des Faserstoffanteils erfolgt eine Verringerung der statischen Festigkeitseigenschaften der Laborblätter. Perlit und Glashohlkugeln GK1 weisen dabei im Vergleich den geringsten Verlust auf.

Anteil

2478

1838

1612

2432

1854

1532

3550

2553

2028

3369

220019282009

1824

1160

2200

1336

0

1000

2000

3000

4000


Blähglas BG1 Blähglas BG2 PerlitGlashohlkugel GK1 Glashohlkugel GK2 Mikrosphären


10 % 20 % 30 % 0 %




Abb. 24: Biegesteifigkeit der Laborblätter – anteiliger Ersatz durch Füllkörper

Mit Zugabe der Füllkörper erfolgt eine Verringerung der Dichte der Laborblätter, wobei - abhängig von der Art des Füllkörpers - ab einer bestimmten Menge (> 20 %) keine bzw. nur noch eine geringe Veränderung zu verzeichnen ist. Diese Veränderung schlägt sich nicht in allen Fällen in einer Verbesserung der Biege-steifigkeit nieder. Diese ist von der Art des Füllkörpers (Struktur) abhängig. Glashohlkugeln und Perlt weisen die besten Eigenschaften auf. Für Retention der expandierbaren Mikrosphären ist der Einsatz eines speziellen Retentions-/Bindemittelsystem (Stärke-/Latex-System) notwendig. Zudem bedarf es hinsicht-lich des Expandiereffekts einer thermischen Nachbehandlung der Blätter.

10.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss des Einsatzes von Additiven bei der Blattbildung am Beispiel von Glashohlkugeln (GK1)

Vorgehen Um den Festigkeitsverlust durch den Füllkörpereinsatz zu minimieren, wurden Versuche zum Einsatz eines spezifischen Retentions-Bindemittelsystems (Stärke-Latex-System) durchgeführt (Beispielsystem: Aramid-Faserstoff (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) 80 % / Glashohlkugel GK1 20 %).

Abb. 25: Einsatz Stärke-/Latex-Retentions-/Bindemittelsystem

Anteil

0,190,17

0,110,13 0,12

0,11

0,21

0,170,16

0,32

0,26 0,25

0,290,28 0,27

0,25 0,25

0

0,1

0,2

0,3

0,4


Blähglas BG1 Blähglas BG2 PerlitGlashohlkugel GK1 Glashohlkugel GK2 Mikrosphären


10 % 20 % 30 % 0 %

Retentionsmittel (cPAM) – angepasste Menge

Wartezeit: 30 s

Wartezeit: 30 s

Wartezeit: 60 s

Faserstoffsuspension

kationische Stärke

Füllkörper

Latex

Retentionsmittel (PAM)

Kationische Stärke (1,0 % / 2,0 % Wirksubstanz)

Beispiel Glashohlkugel GK1

Styrol-Butadien-Latex (2,0 % / 4,0 % Trockenmasse).




Einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper - Einsatz Additive

Abb. 26: Zugfestigkeit (Reißlänge) der Laborblätter – Einsatz Füllkörper mit Additiven

Abb. 27: Biegesteifigkeit der Laborblätter – Einsatz Füllkörper mit Additiven

Durch den Einsatz eines angepassten Retentions-Bindemittel-System ist eine Verbesserung der statischen Festigkeitseigenschaften bei den Laborblättern mit Füllkörper erzielbar. Dies hat keinen Einfluss auf die Biegesteifigkeit.

25252200

2694

31633457

0

1000

2000

3000

4000

5000Reißlänge in m Flächenbez. Masse ca. 50 g/m²

ohne Additive

1% Stärke 1% Stärke, 2% Latex

1% Stärke, 4% Latex


Aramid-Faserstoff (80% Fibride / 20% Kurzschnitt) 80% / Glashohlkugeln 20%

0,25 0,26 0,270,25

0,26

0

0,1

0,2

0,3



Aramid-Faserstoff (80% Fibride / 20% Kurzschnitt) 80% / Glashohlkugeln 20%

ohne Additive

1% Stärke 1% Stärke, 2% Latex






10.3 Zusammenfassung der Ergebnisse

Ergebnisse Es konnten Laborblätter mit anteiligem Einsatz von Füllkörpern realisiert werden. Folgende wesentliche Erkenntnisse lassen sich aus den Versuchsergebnissen ableiten: − Durch Einsatz von Füllkörpern (anteiliger Ersatz von Aramid-Faserstoff durch

Füllkörper) erfolgt eine deutliche Verringerung der statischen Festigkeitsei-genschaften

− Mit dem Einsatz von Füllkörpern erfolgt eine Zunahme des spez. Volumens der Blätter – die Höhe ist abhängig von der Art der Füllkörper

− Die Zunahme des spez. Volumens bewirkt nicht in jedem Fall eine Verbesse-rung der Biegesteifigkeit - diese ist abhängig von der Art und dem Anteil der Füllkörper

− Die statischen Festigkeiten der Laborblätter mit Füllkörper werden durch den spezifischen Einsatz von Additiven (Stärke, Latex, Retentionsmittel) verbes-sert, haben aber keinen signifikanten Einfluss auf Dichte sowie Biegesteifig-keit

− Expandierbare Mikrosphären bewirken erst bei sehr hoher Einsatzmenge eine Steigerung des spez. Volumens bzw. der Biegesteifigkeit.

Fazit Für den mehrschichtigen Aufbau des papierartigen Werkstoffs ist aufgrund der Volumensteigerung der Einsatz eines Materials mit Füllkörper in der Innenlage vielversprechend. Prädestiniert hierfür ist unter Berücksichtigung der mechani-schen Eigenschaften (Festigkeit, Biegesteifigkeit) der Einsatz von Perlit oder speziellen Glashohlkugeln. Die Einsatzmenge ist anzupassen.

11 Materialherstellung im Labormaßstab – mehrlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 5)

Vorgehen Unter Nutzung der Erkenntnisse aus AP 3 und AP 4 (erfolgversprechende Faserstoffsysteme bzw. Faser-/Füllkörpersysteme) wurden verschiedenste Versuchsreihen zur mehrlagigen Blattbildung im Labor durchgeführt. Dabei wurde im Hinblick auf die angestrebten werkstoffmechanischen Eigenschaften ein 3-lagiger Aufbau realisiert, wobei die beiden Außenlagen den gleichen Materialaufbau aufweisen, während die Innenlage einen Materialaufbau mit erhöhtem Volumen (Faser-/Füllkörpersystem) besitzt. Die jeweiligen Varianten wurden hinsichtlich ihrer Grundeigenschaften charakterisiert. Die Stoffvorbereitung für die einzelne Blattherstellung erfolgte wie unter AP 3 bzw. AP 4. Nach der jeweiligen Blattbildung wurden die einzelnen Lagen (Einzel-blätter mit jeweils ca. 50 g/m²) im feuchten Zustand zusammengepresst (mitei-nander vergautscht) und anschließend im Vakuumtrockner des Rapid-Köthen-Blattbildners getrocknet.




11.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff – Variation der Materialzusammensetzung der Innenlage (unterschiedliche Füllkörper) bei konstanter Materialzusammensetzung der Decklage

Vorgehen Für die entsprechenden Versuche zur Laborblattbildung wurde die Materialzu-sammensetzung der Decklagen (ohne Füllkörper) konstant gelassen. Zum Einsatz kam eine Faserstoffkombination von Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) und Carbonfasern. Der Anteil Carbonfasern betrug 30 %, vgl. Tab. 8. Tab. 8: Rezepturvarianten der Innenlagen Faserstoff Füllkörper Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) ohne Füllkörper Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) Blähglas BG1 - 30 % Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) Perlit – 30 % Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) Mikrosphären – 50 % Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) Glashohlkugeln – 20 % Zellstoff Mikrosphären – 50 %

Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation Materi-alzusammenset-zung der Innen-lage

Abb. 28: Zugfestigkeit (Reißlänge) – unterschiedliche Varianten der Innenlage

Abb. 29: Biegesteifigkeit – unterschiedliche Varianten der Innenlage

3781

31702993

3503

29102752

0

1000

2000

3000

4000

5000Reißlänge in m Flächenbez. Masse ca. 150 g/m²

Aramid, ohne

Füllkörper

Innenlage Aramid + 30 % Bläh-glas BG1

Aramid + 30 % Perlit

Aramid + 50 % Mikro-

sphären

Aramid + 20 % Glas-hohlkugeln

Zellstoff + 50 % Mikro-

sphären

13,0914,26

16,95

13,92

16,5917,78

0

5

10

15

20Biegesteifigkeit (Resonanzlängenverfahren) in Nmm

Aramid, ohne

Füllkörper

Innenlage Aramid + 30 % Bläh-glas BG1

Aramid + 30 % Perlit

Aramid + 50 % Mikro-

sphären

Aramid + 20 % Glas-hohlkugeln

Zellstoff + 50 % Mikro-

sphären





Ergebnis In der kombinierten Bewertung von statischen Festigkeitseigenschaften und Biegesteifigkeit weisen die dreilagigen Werkstoffe mit Perlit bzw. Glashohlkugeln in der Innenlage die besten Eigenschaften auf.

11.2 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation der Materialzusammensetzung (Faserstoffvariante) der Decklage in Kombination mit Innenlage mit Füllkörper

Vorgehen Für die Versuche wurde die Materialzusammensetzung der Decklage (ohne Füllkörper) variiert. Zum Einsatz kam eine Faserstoff-Kombination von Aramidfa-sern (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) mit Carbon- sowie Basaltfasern. Der Anteil Carbon- bzw. Basaltfasern betrug dabei 30 %. Für die Innenlage wurden zwei Varianten eingesetzt: Faserstoff Aramidfasern (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D), als Füllkörper Perlit und Blähglas BG1 - Anteil von 30 %.

Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation Materi-alzusammen-setzung der Decklagen

Abb. 30: Zugfestigkeit (Reißlänge) / Biegesteifigkeit der Laborblätter – unter-schiedliche Materialzusammensetzung der Decklagen Die Decklage mit Carbonfasern als Faserstoffvariante weist für beide Innenla-genvarianten zwar etwas geringere statische Festigkeitseigenschaften auf, bietet aber eine deutlich höhere Biegesteifigkeit.

35873171

2993 3170

0

1000

2000

3000

4000


Basalt Carbon

Innenlage70% Aramid/

30% Perlit



30% Blähglas BG1

7,97 7,14

16,00

14,27

0

5

10

15

20Biegesteifigkeit in Nmm

Basalt Carbon


30% Perlit


30% Blähglas BG1




11.3 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Ersatz Carbon-Frischfaser durch Carbon-Rezyklat-Faser in Decklage und Innenlage

Vorgehen Es wurden ergänzend Laboruntersuchungen unter dem Aspekt durchgeführt, dass Carbonfasern als wichtige Komponente in der Faserstoffrezeptur einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Bei diesen Versuchen wurde bei der Carbonfaserkomponente anstatt Carbon-Frischfasern Carbon-Rezyklat-Fasern mit ähnlicher Faserlänge eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Laborblätter wurden der entsprechende Frischfaservariante in Tab. 9 gegenübergestellt.

Tab. 9: Rezepturvarianten Faserstoff Füllkörper Decklage Aramid-Fibride C – 60 % / Carbonfaser – 40 % - Innenlage Aramid-Fibride C - 60 % / Carbonfaser – 10 % Perlit 30 %

Mehrlagiger Papierwerkstoff - Vergleich Carbon-Frisch-faser / Carbon-Rezyklat-Faser

Abb. 31: Zugfestigkeit (Reißlänge) / Biegesteifigkeit der Laborblätter – Art der Carbonfaser in Decklage/Innenlage

Die dreilagigen Werkstoffe mit Carbon-Frischfaser zeigen etwas bessere Festig-keitseigenschaften (statische Festigkeit) im Vergleich zu den Systemen mit Carbon-Rezyklat-Faser. Hinsichtlich der Biegesteifigkeit sind keine wesentlichen Unterschiede zu verzeichnen.

3693

2467

0

1000

2000

3000

4000



Decklage: 60% Aramid-Fibride C / 40% CarbonfaserInnenlage: 60% Aramid-Fibride C / 10% Carbonfaser / 30% Perlit

Carbon-Rezyklat-Faser

Carbon-Frischfaser

20,81

27,20

0

10

20

30


Carbon-Frischfaser

Carbon-Rezyklat-Faser




11.4 Ergänzende Laborversuche als Vorbereitung zur kontinuierlichen Papierherstellung - Anpassung der Rezeptur auf Basis der ersten VPM-Versuche

Vorgehen Nach den ersten Versuchen auf der Papiermaschine wurden ergänzende Labor-versuche durchgeführt. Hintergrund dafür war die Überprüfung einer Anpassung der Rezeptur auf die Verhältnisse der Papiermaschine. Es erfolgte der labor-technische Vergleich der angepassten Rezepturvarianten mit den ursprünglich geplanten Varianten. Dabei wurde auf den Aramid-Kurzschnitt-Anteil in der Aramidfaser-Komponente verzichtet (Probleme bei der Formation auf der Pa-piermaschine) und zur Aufrechterhaltung der Biegesteifigkeit und der Imprägnier-fähigkeit untersucht, ob dies mit einer Erhöhung des Carbonfaseranteils in der Decklage bzw. mit dem Einsatz von Carbonfasern in der Innenlage zu kompen-sieren ist.

Mehrlagiger Papierwerkstoff - Ersatz Aramid-Kurzschnitt-Faser in der Aramid-Faser-Komponente

Abb. 32: Zugfestigkeit (Reißlänge) / Biegesteifigkeit der Laborblätter – Ersatz Aramid-Kurzschnitt-Fasern durch Carbonfasern in Decklage/Innenlage Bei Ersatz der Aramid-Kurzschnitt-Komponente durch Carbonfasern konnten hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Laborblätter eine geringfügige Verbesserung festgestellt werden. Des Weiteren konnten diese Varianten imprägniert werden und wiesen entsprechende gewünschte Eigenschaften im imprägnierten Zustand auf.

11.5 Zusammenfassung

Zusammenfas-sung und Fazit

Folgende wesentlichen Erkenntnisse lassen sich aus den Versuchen ableiten: - Die labortechnische Herstellung von 3-lagigen Werkstoffen mit einem Ge-

samt-Flächengewicht von 150 g/m² (Einzellage 50 g/m²) ist realisierbar - 3-lagige Werkstoffe mit Decklagen mit Carbon-Faseranteil weisen im Ver-

gleich zu Basaltfaser-Variante höheres spez. Volumen, höhere Biegesteifig-keit bei etwas geringeren statischen Festigkeitseigenschaften auf;

- Bei vergleichbaren Decklagen kann durch Innenlagen mit Füllkörpern das spez. Volumen sowie die Biegesteifigkeit erhöht werden. Das Ausmaß ist abhängig von der Art der Füllkörper;

- Bei Werkstoffen mit Mikrosphären lag aufgrund des chemischen Aufbaus leichte Entflammbarkeit bzw. Rauchentwicklung vor. Derartige Kombinatio-

2993

3693

0

1000

2000

3000

4000


Decklage: 70% Aramid/30% CarbonInnenlage: 70% Aramid/30% Perlit


Decklage: 60% Aramid/40% CarbonInnenlage: 60% Aramid/10% Carbon/30% Perlit

Aramid80% Fibride/

20% Kurzschnitt Aramid

100% Fibride

16,00

20,81

0

5

10

15

20


Aramid80% Fibride/

20% Kurzschnitt Aramid

100% Fibride




nen sind für den anvisierten Einsatzbereich daher nicht geeignet; - Entscheidend für die Einsatzmöglichkeit des Werkstoffes ist auch das

Verhalten bei der Imprägnierung (Ziel ist eine Durchimprägnierung): o Anteil an Kurzschnitt-Fasern in der Rezeptur (Decklage/Innenlage) ist

wichtig für ein Durchimprägnieren (Werkstoff nur mit Aramidfibriden lasst sich nicht durchimprägnieren)

o Basaltfasern in der Decklage machen Schwierigkeiten hinsichtlich einer Durchimprägnierung

o bei bestimmten Füllkörpern (Glashohlkörper) in der Innenlage kam es zu einem Delaminieren des Materials nach der Imprägnierung.

Basierend auf diesen Erkenntnissen erfolgte Auswahl entsprechender erfolgs-versprechender Rezepturen für die weiteren Arbeiten – insbesondere für die Übertragung der Materialherstellung von Labor auf kontinuierliche Fertigung.

12 Übertragung der Materialherstellung (Papierwerkstoff) von Labor auf kontinuierliche Fertigung auf der Versuchspapiermaschine (vgl. AP 6)

12.1 Vorgehen - Versuchsansätze

Ziel Aufgaben im Rahmen dieses Arbeitspaketes sind die Überprüfung der Übertrag-barkeit der Herstellung vom Labormaßstab auf eine kontinuierliche Herstel-lungsweise (Validierung der Laborergebnisse auf Maschinenebene) und die Bereitstellung einer reproduzierbaren Papierqualität in größeren Mengen für die mechanischen Untersuchungen und für die Fertigung von Funktionsmustern. Voraussetzung für die industrielle Fertigung ist eine entsprechende Realisierung bei Erzielung adäquater Eigenschaften. Basis der Versuche zur kontinuierlichen Herstellung des Papierwerkstoffs waren die im Labor entwickelten Rezepturen sowohl für die einlagigen als auch den mehrlagigen Papierwerkstoff.

Vorgehen Unter Berücksichtigung der technischen Möglichkeiten der Versuchspapierma-schine wurde bei der Versuchsdurchführung in folgender Reihenfolge vorgegan-gen: − Herstellung einlagiger Papierwerkstoff ohne / mit Füllkörper mittels Langsieb-

Fahrweise − Herstellung 3-lagiger (3-schichtiger) Papierwerkstoff mittels Schrägsiebfahr-

weise (nur mit Schrägsieb-Modul ist die gleichzeitige Fertigung eines 3-lagigen Materials möglich)

− Herstellung 3-lagiger Papierwerkstoff mittels Langsieb-Fahrweise − Alternative Herstellung




12.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff ohne / mit Füllkörper mittels Langsiebfahrweise

Versuchsansatz I Zunächst wurden Versuche zur Herstellung eines einlagigen Papierwerkstoffs durchgeführt. Dabei erfolgte die Herstellung einer Papierbahn mit einer Rezeptur ohne Füllkörper (‚Decklage‘) sowie mit einer Rezeptur mit Füllkörper (‚Innenla-ge‘), vgl. Tab. 10. Ziel für die Papierbahn war eine flächenbezogene Masse von ca. 50 g/m². Tab. 10: Versuchsvarianten basierend auf den Laborergebnissen

Faserstoff Füllkörper

Variante I Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) - 70 % / Carbonfaser - 30 %

-

Variante II Aramid (80 % Fibride C / 20 % Kurzschnitt D) - 70 % Perlit 30 %

Ergebnisse Versuchsansatz I

Die ersten Versuche auf der Papiermaschine (Langsiebvariante) zeigten eine ungenügende Blattformation bei Verwendung von Aramid-Kurzschnitt in der Aramid-Komponente (vermutete Ursache: zu hohe Faserlänge der Aramid-Kurzschnitt-Komponente). Entsprechend war eine Anpassung der Rezeptur an die Maschinengegebenheiten notwendig.

Versuchsansatz II

Basierend auf den Erkenntnissen der ersten Versuche zur kontinuierlichen Herstellung auf der VPM (einlagige Herstellung) wurde bei den weiteren Versu-chen hinsichtlich der Blattformation auf den Aramid-Kurzschnittanteil (6 mm lange Fasern) in der Rezeptur verzichtet. Um die Biegesteifigkeit aufrechtzuer-halten bzw. um eine entsprechende Auflockerung des Fasernetzwerkes zu erreichen um die Imprägnierfähigkeit sicherzustellen (insbesondere Innenlage) erfolgte daraufhin eine Erhöhung des Carbonfaseranteils bei der Rezeptur für die einlagige Variante ohne Füllkörper bzw. der Einsatz von Carbonfasern für die einlagige Variante mit Füllkörper, siehe Tab. 11.

Tab. 11: Rezepturvarianten des Versuchsansatzes II


Variante I Aramid (100% Fibride C) - 60 % / Carbonfaser - 40 % -

Variante II Aramid (100% Fibride C ) - 60 % / Carbonfaser - 10 % Perlit 30 %




Ergebnisse Ver-suchspapierma-schine - Einlagig ohne Füllkörper

Abb. 33: Zugfestigkeit (Reißlänge) / Biegesteifigkeit – einlagig ohne Füllkörper: Vergleich Werkstoff Labor mit Werkstoff Papiermaschine

Ergebnisse Ver-suchspapierma-schine - Einlagig mit Füllkörper

Abb. 34: Zugfestigkeit (Reißlänge) / Biegesteifigkeit – einlagig mit Füllkörper: Vergleich Werkstoff Labor mit Werkstoff Papiermaschine

Ergebnis Als Orientierung bzw. zur Einordnung der Werkstoffeigenschaften der Papierma-schinenversuche wurden die Eigenschaften der Maschinenpapiere den Laborer-gebnissen gegenübergestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei den Labor-versuchen ein isotropes Material vorliegt, während bei den Papiermaschinen-materialien die Fasern in Maschinenlaufrichtung ausgerichtet sind, d.h. ein anisotropes Material vorliegt. Eine Einschätzung wird aber durch die Betrachtung des jeweils erreichten Niveaus ermöglicht. So werden hinsichtlich der Zugfestig-keit und der Biegesteifigkeit sowohl ohne als auch mit Füllkörper die Materialei-genschaften der Laborvarianten in etwa erreicht. Das bedeutet, dass eine Bahn-bildung (einlagig) auf dem Langsieb mit angepassten Rezepturen ohne / mit Füllkörper mit adäquaten Eigenschaften realisierbar ist.

4508 4638

2817

0

1000

2000

3000

4000

5000


Papiermaschine

längs quer


Laborblattbildung

0,67

0,880,80

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2Biegesteifigkeit in Nmm

Aramid/Carbon - 60/40(Aramid: Fibride C )

längs quer

PapiermaschineLaborblattbildungAramid/Carbon - 60/40

(Aramid: Fibride C )

2179

2770

2275

0

1000

2000

3000

4000


Papiermaschine

längs quer


Laborblattbildung

0,25 0,25

0,20

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4Biegesteifigkeit in Nmm

längs quer

PapiermaschineLaborblattbildungAramid/Carbon/Perlit - 60/10/30

Aramid/Carbon/Perlit - 60/10/30




12.3 Mehrlagige Herstellung – 3-schichtiger Papierwerkstoff mittels Schrägsiebfahrweise

Versuchsansatz Für die Herstellung des 3-lagigen Papierwerkstoffs wurde das Schrägsieb-Modul der Versuchspapiermaschine eingesetzt. Dabei erfolgt die Herstellung des 3-lagigen Werkstoffs durch Fertigung von 2-schichtigem Material mittels Schräg-sieb (Decklage – Innenlage) und der Kombination mit einer Lage (Decklage), die mit der Obersieb-Einheit gefertigt wird, vgl. Tab. 12. Tab. 12: Materialaufbau und Rezepturen der Einzellagen


Decklagen Aramid (100% Fibride C) - 60 % / Carbonfaser - 40 % -

Innenlage Aramid (100% Fibride C ) - 60 % / Carbonfaser - 10 % Perlit 30 %

Ergebnis Bei den Prinzipversuchen auf der Schrägsiebanlage konnte keine Fertigung des 3-lagigen Werkstoffs realisiert werden. Die Stoffmischungen waren für das Schrägsiebteil nicht entwässerbar. So konnte maximal eine Schicht von ca. 30 g/m² erzeugt werden, bevor der Siebteil zum Stehen kam (Maschinenstopp).

12.4 Mehrlagige Herstellung - Herstellung 3-lagiger Papierwerkstoff mittels Langsiebfahrweise

Versuchsansatz Da die Fertigung von dünnen Einzellagen mittels Langsieb realisiert werden konnte, wurden Versuche unternommen, einen entsprechenden 3-lagigen Werkstoff (Materialaufbau: Decklagen mit Aramid-Fibride C / Carbonfaser (3 mm) - 60% / 40% und Innenlage mit Aramid-Fibride C / Carbonfaser (3 mm) / Perlit - 60% / 10% / 30%) aus den einzelnen Lagen zu fertigen. Da die Versuchspapier-maschine in Langsiebfahrweise dafür nicht ausgelegt ist (es ist lediglich eine Duplex-Fahrweise möglich) wurden Versuche unternommen bei denen nach Herstellung der einzelnen Lagen die feuchte Papierbahn vor der Trocknung abgenommen und die jeweiligen Lagen miteinander in einem manuellen Verfah-ren miteinander vergautscht wurden.

Ergebnis Verschiedene Versuche zur Abnahme einzelner Bogen aus der VPM im mög-lichst feuchten Zustand wurden durchgeführt. Dabei erfolgte die Abnahme an unterschiedlichen Positionen der Maschine. Der notwendige Feuchtigkeitsgehalt für ein erfolgreiches Vergautschen der einzelnen Lagen konnte damit nicht erreicht werden. Eine Abnahme der Bahn direkt nach Sieb war hinsichtlich der Maschinengängigkeit bzw. der vorliegenden Festigkeiten der feuchten Bahn nicht möglich. Eine nachträgliche Feuchtung der Papierbogen / Papierbahn mit anschließen-dem Vergautschen führte ebenso zu keinem Erfolg. Dass ein Vergautschen von einzelnen Lagen im stark feuchten Zustand (analog zur Laborblattbildung) grundsätzlich realisierbar ist, zeigte die erfolgreiche Bahnbildung bei Kombination Langsieb- mit Obersieb-Bahnbildung (Duplex-Fahrweise).




12.5 Mehrlagige Herstellung - Alternative Vorgehensweise zur Herstellung des 3-lagigen Papierwerkstoffs: Verklebung der einzelnen Lagen

Vorgehensweise Um einen 3-lagigen Papierwerkstoff in größerem Umfang bereitstellen zu könne, wurde nach Alternativen für dessen Herstellung gesucht. Eine Option stellt dabei eine Verklebung der auf der Papiermaschine gefertigten Bahnen (Einzellagen) dar. Im Vorfeld dazu erfolgten ein Screening potenzieller Klebstoffe (wobei u.a. das Imprägnierverhalten des Papierwerkstoffs berücksichtigt werden muss) sowie ein Screening hinsichtlich eines möglichen Auftragssystems.

Ergebnisse Screening Kleb-stoffe / Auftrags-system

− Ein geeigneter Klebstoff konnte gefunden werden: Stärkederivat (acetylierte Stärke)

− Ein Auftrag mittels Rakel (ca. 100 µm Nassauftrag – ca. 12 g/m² Stärkederi-vat) stellt eine vollflächigen Verklebung sicher

Mehrlagiger Werkstoff – Ver-gleich Lagen vergautscht (La-bor) mit Lagen verklebt (VPM)

Laborblatt – Lagen vergautscht geklebtes VPM Material Abb. 35: REM Aufnahme (Schnitt) – 3-Lagiger Werkstoff: Vergleich Werkstoff Labor mit Werkstoff Papiermaschine verklebt




Mehrlagiger Werkstoff – Ver-gleich Lagen vergautscht (La-bor) mit Lagen verklebt (VPM)

Abb. 36: Zugfestigkeit (Reißlänge) – Vergleich Werkstoff Labor vergautscht mit Werkstoff Papiermaschine verklebt

Abb. 37: Biegesteifigkeit – Vergleich Werkstoff Labor vergautscht mit Werkstoff Papiermaschine verklebt Im Vergleich zu den vergautschten Laborblättern zeigen die mittels Verkleben der Papiermaschinen-Produkte erzeugten Werkstoffe verbesserte mechanische Eigenschaften im nichtimprägnierten Zustand – dies trifft insbesondere auf die Zugfestigkeit zu. Durch den Klebstoffauftrag weisen diese Blätter eine etwas höhere flächenbezogene Masse auf.

Fazit Mit der Verklebung der Werkstoff-Bahnen besteht die Möglichkeit der Herstellung eines großflächigen Materials. Es konnte insgesamt gesehen adäquates Material für die weiteren Untersuchungen bzw. Arbeiten (z.B. Herstellung von Funktions-muster) bereitgestellt werden.

3693

4508

5680

3894 3918

0

1000

2000

3000

4000

5000


Laborblattbildungvergautscht

Papiermaschinegeklebt

Einzellagen

längs quer



längs quer


Duplex + Decklage


21,1

24,6

30,8

21,4

13,1

0

5

10

15

20

25

30

35Biegesteifigkeit (Resonanzlängenverfahren) in Nmm

Laborblattbildungvergautscht


Einzellagen

längs quer



längs quer


Duplex + Decklage





13 Methodik zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Papierwerkstoffe (vgl. AP 7)

Vorgehen Im Rahmen des Arbeitspaketes 7 wurden eine Schubprüfvorrichtung durch die Forschungsstelle 3 weiter entwickelt und eine Druckprüfvorrichtung durch die Forschungsstelle 2 neu entwickelt.

13.1 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Schubprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.1)

Vorgehen Die vom ILR der TU Dresden patentierte Schubprüfvorrichtung [23] wurde für dünnwandige Materialien weiterentwickelt. Dazu wurde zunächst eine Literatur-recherche durchgeführt und anhand derer sowie aus Erfahrungen mit dem bisherigen Schubrahmen eine Bewertung vorgenommen. Darauf aufbauend wurde ein neuer Schubrahmen entwickelt, umgesetzt und in Betrieb genommen.

13.1.1 Literaturrecherche und Auswertung des bisherigen Schubrahmens

Literaturrecher-che

In Abb. 38 sind recherchierte Schubversuche, welche sich für Papiere und papierartige Materialien eignen, kategorisiert dargestellt.

Abb. 38: Einteilung von Schubversuchen für dünnwandige Materialien [16, 23, 45, 46, 47]

Analyse existie-render Schubvor-richtung

Tab. 13: Bewertung der Eignung der recherchierten Schubprüfverfahren (Noten 1-5, wobei 1 die beste Bewertung darstellt und 5 die Schlechteste)

Methode Auf-wand

𝝉-𝜸 - Verlauf

Genauigkeit Festigkeit

Genauigkeit G-Modul

Gewichtete Summe

Wichtung 0,1 0,35 0,2 0,35

10°-Off-Axis 1 5 3 3 3,5 45°-Off-Axis 3 5 3 2 3,35

Torsion 3 2 3 2 2,3 Three-Rail 4 5 3 2 3,45

Schubrahmen 4 1 2 1 1,5 Wie in Tab. 13 dargestellt, wurden Testaufwand und die Güte der Testergebnis-se der unterschiedlichen Testverfahren bewertet und verglichen. Es ist eindeutig zu erkennen, dass ein adaptierter Schubrahmen die besten Ergebnisse liefert. Daher wurde der bisherigen Schubrahmen analysiert und verbessert.

Schu

bver

such

e Scherversuche Iosipescu

Arcan Torsion Torsionszylinder

Off-Axis-Versuche 45°off-axis 10°off-axis

Rahmen Schubrahmen

Three-Rail




Analyse des pa-tentierten Schub-rahmens

Der patentierte Schubrahmen, wie er vor Projektbeginn am ILR entwickelt wurde ist Abb. 39 dargestellt. Ziel war es, diesen Schubrahmen zu überarbeiten, um die Ergebnisqualität der Versuche zu verbessern.

Abb. 39: Patentierter Schubrahmen für dünnwandige Werkstoffe Die größten Defizite waren darin zu finden, dass keine aussagekräftige Weg-messung möglich war. Vor allem Passungsspiele, Dehnungen und Verformun-gen in den beweglichen Schubrahmenbauteilen und in der Prüfmaschine beein-flussten die Prüfergebnisse enorm.

13.1.2 Ableitung und Entwicklung eines neuen Schubrahmens

Vorgehen Einzelne Aspekte der Konstruktion, welche für eine Überarbeitung geeignet waren, wurden identifiziert. Anschließend wurden alternative Lösungskonzepte erarbeitet und gegeneinander verglichen. Abschließend wurde die geeigneteste Konstruktion ausgewählt und abgeleitet.

Anordnung der Einspannung

Ziel der Untersuchung der Anordnung der Einspannung war es, die Gelenkver-bindungen zu verbessern, um den Einfluss des Lagerspiels und der Reibung zu minimieren. Die Gelenkverbindungen des bisherigen Schubrahmens sind in Abb. 40 a) dargestellt. Bei der zweiten Variante (Abb. 40 b) wird eine Seite des Rahmens festgehalten und die gegenüberliegende nach oben gezogen. Durch die Gelenkanordnung können die Gelenke für höhere Lasten ausgelegt werden und gleichzeitig die Reibung minimiert werden. Gleiches gilt bei Variante c). Da sich hier die Fläche verdreht, ist weder eine direkte Längenänderungsmessung möglich, noch ist ein einfaches Vermessen der Messfläche mit Hilfe eines Graustufenkorrelationsverfahren möglich. Es wurde Variante b) gewählt.

Abb. 40: Varianten der Anordnung der Einspannung: a) diagonal b) einseitig fest c) beidseitig drehbar gelagert

a) b) c)




Probeneinspan-nung

Es wurden verschiedene Möglichkeiten betrachten, mit denen die Probe am Schubrahmen befestigt wird. Technisch aufwendig, dafür aber von der Handha-bung einfacher, ist ein Schnellspanner. Die technisch einfachste Variante, die Befestigung mit einem Klemmblock und Schrauben, wurde gewählt.

Einbausperre Es musste möglich sein, die Probe ohne Vorlast einzubauen, wodurch der Rahmen blockiert, bzw. gesperrt werden musste. Es wurden verschiedene Möglichkeiten betrachten, wie der Rahmen gesperrt werden kann. Bisher war eine Hilfsvorrichtung erforderlich. Als neue Lösung wurde eine einfache Schraubverbindung betrachtet.

Beulstütze

a) (I) (II) (III) b) (I) (II) (III) Abb. 41: Beulstützen (grau) im Schubrahmen im unverformten (a) und verform-ten Zustand (b): (I) einseitig (II) einfach symmetrisch (III) doppelt symmetrisch. Wie in Abb. 41 dargestellt, wurden drei verschiedene Lösungsansätze für eine Beulstütze für den Schubrahmen erarbeitet. Aufgrund der Verformung des Rahmens ändert sich der zu stützende Bereich. Möglichst viel Fläche abzude-cken bei möglichst kleinen freien Weglängen war Auslegungsziel:

I. 𝐴𝐹𝐹𝑎 = 12Δl ⋅ √l2 − Δ𝑙2 ≈ 1

2Δl ⋅ l

II. 𝐴𝐹𝐹𝑏 = 2 ⋅ 12

Δl2

�(l/2)2 − (Δ𝑙/2)2 ≈ 14Δl ⋅ l

III. 𝐴𝐹𝐹𝑐 ≈ 4 ⋅ 12𝑑(𝑙)2

1√2𝑙 ≈ 0,689Δ𝑙 ⋅ 1

√2L ≈ 1

2,05 Δ𝑙 ⋅ l

Bei Variante II ist die Freifläche und die freie Weglänge am geringsten. Die einfach symmetrische Beulstütze wurde somit zur präferierten Lösung.

Verformungs-messung

Zur Bestimmung der Schubspannungs-Schubverformungs-Verläufe und der daraus abgeleiteten Schubmoduln ist eine Messung der Probenverformung erforderlich. Am genauesten ist die „direkte“ Messung der Schubverformung mittels Graustufenkorrelationsverfahren (GSK). Eine Verwendung von Beulstüt-zen ist in diesem Fall jedoch nicht möglich. Als zweite Möglichkeit wurde die Messung der Verformung des Schubrahmens mittels Punkt-Tracking betrachtet. Daraus lässt sich der Schubwinkel zurückrechnen. Diese Variante misst nicht auf der Probenfläche direkt. Somit können Beulstützen verwendet werden. Da der Schubwinkel jedoch nur indirekt gemessen wird, sind die Abweichungen im Vergleich zum GSK-Verfahren größer. Beide Varianten wurden in Kombination ausgewählt.

Konzept Nach Bewertung der einzelnen Teilaspekte konnte ein Gesamtkonzept festgelegt werden. Es wurde ein Schubrahmen mit entsprechenden Änderungen konstru-iert.




Abbildung des asymmetrischen Schubrahmens

Abb. 42: Der neu entwickelte asymmetrische Schubrahmen

Ergebnis Bei der Fertigung der Einzelteile und dem Zusammenbau des Schubrahmens kam es zu keinen Problemen. In Vorversuche hat der neue Schubrahmen wesentlich bessere Ergebnisse erzielt als der bisherige, da zum einen das Gesamtspiel des Rahmens erheblich reduziert werden konnte und zum anderen der Schubrahmen wesentlich reibungsärmer ist. Weiterhin ist die neu konzeptio-nierte Beulstütze ebenfalls reibungsärmer und besser gelagert. Sie deckt eine größere Fläche ab und stützt das Material besser. In Abb. 42 ist der asymmetri-sche Schubrahmen mit demontierter vorderer Beulstütze sowie demontierter Klemmbacken dargestellt.

13.2 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Druckprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.2)

Vorgehen Ausgehend von in der Literatur beschriebenen Ansätzen (siehe Abb. 43), wurde in diesem Arbeitspaket eine Druckprüfvorrichtung entwickelt, mit der annähernd ein einachsiger Druckspannungszustand in Blattebene gemessen werden kann. Besondere Bedeutung kommt dabei einer sehr präzisen Klemmung zu, wobei die eingespannten Ränder der freien Probenlänge im Belastungsprozess zudem exakt aufeinander zu bewegt werden müssen. Für diese Anforderung wurde zunächst eine einlagige (Hohl)-Zylinderform für die Probe favorisiert, die zugleich auch die Voraussetzungen für die Realisierung einer Torsionsbeanspruchung des Zylinder-Prüfkörpers liefern sollte. Die wichtige Anforderung an die Exaktheit beim in-plane-Druckversuch konnte jedoch durch die kombinierte Belastungs-möglichkeit nicht erfüllt werden. Als bestgeeignete Variante wurde die Weiter-entwicklung eines für die Bestimmung des Streifenstauchwiderstandes (SCT) verfügbaren Prüfgerätes (Fa. Frank-PTI) ausgewählt, welches ursprünglich für eine freie Probenlänge von 0,7 mm konzipiert




Literaturrecher-che

Abb. 43: Einordnung gängiger Papierdruckversuche nach ihrer Funktionsweise [16,42,43,44].

Abbildung der entwickelten Prüfvorrichtung

Abb. 44: Probenklemmung der in-plane-Druck-Prüfvorrichtung (links) mit vergrö-ßerter Darstellung des Stauchens bzw. Beulens einer Probe (rechts)

Entwicklung Prüfvorrichtung

Die bestehende Klemm- und Prüfvorrichtung wurde zusammen mit dem einbet-tenden Mechanismus an die Erfordernisse angepasst. Angestrebt wurde vor allem eine größere freie Probenlänge bei Beibehaltung der hohen Genauigkeit der Klemmung und der Kinematik der Klemmbacken bei Versuchsdurchführung. Die freie Probenlänge wurde jedoch nur soweit vergrößert, dass bei den im Projekt zu untersuchenden dreilagigen papierartigen Werkstoffen bei Kompressi-on in der Ebene bis zu Dehnungen von ca. -0,5 % kein Beulen auftritt. Auf diese Weise wurde eine in-plane-Druck-Prüfvorrichtung als eigenständiges Gerät geschaffen, die Versuche zur Be- und Entlastung von Papierstreifen zwischen ca. 6 mm und 15 mm Breite mit einer freien Probenlänge zwischen 4,6 und 5 mm ermöglicht (Abb. 44). Die Klemmung erfolgt mit veränderbarer, mittels Druckluft definierter Klemmspannung in hoher Präzision. Die Messung des sich mit vorzugebender konstanter Geschwindigkeit verkürzenden Weges erfolgt mit einer Genauigkeit von 0,5 µm durch einen zwischen den Klemmblöcken inte-grierten Sensor.

Papi

erdr

uckv

ersu

ch

ebene Proben

kurze freie Weglänge

Concora Liner Test Short Span Compression Test

lange freie Weglänge

STFI Solid Support Test PPRIC Plate Support Test STFI Plade Support Test FPL Lateral Support Test

Weyerhaeuser Support Test FPL Vaccum Restraint Test Honeycomb Lateral Support

zylindrische Proben

kurze freie Weglänge

Ring Crush Test IPC Modified Ring Crush Test

lange freie Weglänge FPL Support Cylinder Test

gewellte Proben Corrugated Medium Test




Materialverhalten Für die zu untersuchenden dreilagigen imprägnierten und nichtimprägnierten Papiere wurden Be- und Entlastungs-Versuche zur Erfassung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufes für Druck in der Blattebene durchgeführt, in denen bis zu einer Dehnung von -0,54 % belastet und anschließend vollständig entlastet wurde (beispielhafte Verläufe für verschiedene imprägnierte und nichtimprägnier-te Muster s. Abb. 45). Aus den Kurven wurden dann Steifigkeits- und Dehnungs-kennwerte bestimmt. Die dabei auftretenden plastischen Dehnungen liegen dabei in der Größenordnung von -0,2 %. Die Versuche wurden ergänzt um Versuchsreihen mit variierter Probenbreite (6, 9 und 15 mm) bzw. Brei-ten/Längen-Verhältnissen 1,3 und 3,2. Daraus ermittelte Elastizitätsmoduln weisen für den gleichen Werkstoff unabhängig von der Probenbreite eine sehr gute Übereinstimmung auf. Die ermittelten Werte für den E-Modul verschiedener Mustervarianten sind beispielhaft in Abschnitt 14.1 dargestellt.

0 Stauchung in µm 25 Abb. 45: Rohdaten aus der Steuereinheit des Prüfgerätes: Be- und Entlastungs-pfade für in-plane-Druck (freie Probenlänge 4,6 mm, Probenbreite 15 mm, Belastungsgeschwindigkeit 3 mm/min)

14 Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Kernwerkstoffe (vgl. AP 8)

Vorgehen In diesem Arbeitspaket wurden Versuche an den potenziellen Kernwerkstoffen durchgeführt, um deren mechanische und fertigungstechnisch relevante Eigen-schaften bewerten zu können. Durch Messung nichtimprägnierter Papiere konnte begleitend zu den Arbeitspaketen 3-5 die Auswahl von Faser- und Füllstoffrezep-turen sowie die Optimierung der Blattbildungsbedingungen unterstützt werden. Ausgewählte Muster wurden dann im imprägnierten Zustand geprüft, um die Eignung als Kernwerkstoff im Einsatzzustand zu bewerten. Entsprechend der Herstellbarkeit und der besten mechanischen Eigenschaften konnte ein Material bestehend aus Carbonfasern, Aramid-Fibriden und Perlit als Füllkörper als am geeignetsten identifiziert werden. Dieses Material wurde mechanisch vollständig charakterisiert und nachfolgend mit APW (adaptierter papierartiger Werkstoff) bezeichnet.

90

10 0

Kraf

t in

N




Imprägnierung Entsprechend der Eindringtiefe beeinflusst das Harz auch die mechanischen Eigenschaften der Einzellagen und damit auch das Verhalten des Gesamtwerk-stoffes. Das Imprägnieren mit Phenolharz stellte besondere Anforderung an den Umgang mit dem Harz (zu beachten waren gesundheitliche Aspekte, Kosten- und Zeitaufwand). Daher wurde im Rahmen des Projekts zunächst mit einem preiswerten und einfach handhabbaren Epoxidharz L und Härter S-System der Firma R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH gearbeitet. Die entsprechenden Ergebnisse sind mit dem Index E gekennzeichnet. Da Phenolharz bessere mechanische Eigenschaften aufweist, wurden ausge-wählte und die finalen Papiere mit Phenolharz imprägniert und getestet. Bei dem Harz handelt es sich um ein Bisphenol A/F-Harz niedriger Viskosität, so dass eine hohe Penetration möglich war. Die entsprechenden Ergebnisse sind mit dem Index P gekennzeichnet. Ein Vergleich der Imprägnierbarkeit verschiedenen Materialien wurde anhand von Imprägnierversuchen am ILR durchgeführt. Auf die zu testenden Papiere wurde einseitig das Harzsystem aufgebracht. Nach der Aushärtung wurde die Penetration anhand von Schliffbildern beurteilt (siehe Abb. 46)

Abbildung der Harzpenetration

Abb. 46: Eindringtiefe des Harzsystems bei a) einem dreilagigen Papier mit Basaltfaseranteil und b) einem dreilagigen Papier mit Carbonfaseranteil

Bewertung der Harzpenetration

Zur Anfertigung der Schliffbilder wurden die Proben aufgeschnitten und an-schließend in ein blau eingefärbtes Harz eingebettet. Um eine mikroskopische Betrachtung zu ermöglichen, wurde die Schnittfläche geschliffen und poliert. Aufgrund der unterschiedlich eingefärbten Harzsysteme konnte die Eindringtiefe des ersten Harzsystems gut bestimmt werden. In Abb. 46 sind zwei Papiere exemplarisch dargestellt. Gut zu erkennen ist die größere Eindringtiefe bei dem Papier mit Carbonfasern (b) im Vergleich zu Papier mit Basaltfasern (a). Es konnte festgestellt werden, dass die Eindringtiefen bei Papieren mit Carbonfa-seranteil am höchsten sind.

100µm 100µm a) b)




14.1 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften in der Papierfläche (vgl. AP 8.1)

Druckversuche FS2

Die bei FS2 entwickelte Druckprüfvorrichtung wurde für Messungen an impräg-nierten und nichtimprägnierten Mustern eingesetzt. In Abb. 47 sind Werte für den Drucksteifigkeits-E-Modul verschiedener Varianten dargestellt. Es zeigt sich, dass die Harzimprägnierung zu einer deutlichen Erhöhung der Steifigkeit führt.

Abb. 47: Elastizitätsmoduln aus Initialbelastung bei in-plane-Druck (freie Proben-länge 4,6 mm, Probenbreite 15 mm, Belastungsgeschwindigkeit 3 mm/min)

In-plane- Methoden FS3

Abb. 48 zeigt die bei FS3 eingesetzten Aufbauten zur Charakterisierung der in-plane-Eigenschaften, bei denen ergänzend zur mechanischen Kraft-Weg-Erfassung eine optische Bildkorrelation zur Bestimmung weiterer Dehnungs-kennwerte eingesetzt wurde. Zusätzlich zu der bei FS2 entwickelten Druckprü-fung kam eine alternative Vorrichtung zum Einsatz, mit welcher die Ergebnisse noch bestätigt und erweitert werden konnten.

Abb. 48: Versuchsaufbauten der FS3 für a) die Zugprüfung, b) die Druckprüfung und c) die Schubprüfung

Zugversuche - Beurteilung der Papiere aus AP5 und AP6

Entsprechend Abb. 48 wurden Zugversuche an ausgewählten Papieren durchge-führt. Es war deutlich zu erkennen, dass die Materialien V43E und V50E die besten gewichtsspezifischen Eigenschaften aufweisen. Beide Materialien zeichnen sich durch einen hohen Carbonfaseranteil aus. Daher wurden Carbon-fasern ausgewählt und im weiteren Verlauf genauer untersucht. Zusätzlich wurden Carbon-Rezyklat-Fasern eingesetzt.

Beurteilung der Versuchsergeb-nisse - Auswahl eines Werkstof-fes

Carbonpapiere mit Perlit als Füllstoff zeigen gute gewichtsspezifische Eigen-schaften. Das Material bestehend aus Carbonfasern, Aramid-Fibriden und Perlit als Füllkörper aus kontinuierlicher Fertigung (V92) wurde als am besten geeignet identifiziert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Rezyklatfa-sern diese Eigenschaften kaum verändert.

V42

V43

V62

V67

V50E

V42E

V43E

V62E

V67E

E-M

odul

in

MPa

4000

0

a) b) c)




Zugversuche - Bestimmung der Eigenschaften von APWP und N636

Um die Papiere in AP 10 in Simulationen mit dem entwickelten Materialmodell (AP 9) abbilden zu können, war es erforderlich die Spannungs-Dehnungs-Kurven des eingesetzten entwickelten Materials (adaptierter papierartiger Werkstoff APWP) und des Referenzmaterials (N636) zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Abb. 49 b) für MD- und CD-Richtung dargestellt. Die Werte vom APWP liegen leicht unter denen aus den vorherigen Versuchen am V92P (Abb. 49 a), was auf fertigungsbedingte Schwankungen der Faserausrichtung, sowie auf eine andere Art der Imprägnierung zurückzuführen ist. Die Verwendung dieser Werte kann als konservativ betrachtet werden.

Abb. 49: Durchschnittliche Ergebnisse aus Zugversuchen: Spannungs-Dehnungs-Kurven des Material a) V92P (Beurteilungsversuche) und b) APWP und N636 (Charakterisierungsversuche)

Druckversuche - Bestimmung der Eigenschaften von APWP und N636

Da sich die Plastifizierungskennwerte und die Versagensspannungen der betrachteten Papiere im Druckbereich von denen im Zugbereich unterscheiden, war es erforderlich Druckversuche für das AP 10 durchzuführen. Die Ergebnisse sind in Abb. 50 für MD- und CD-Richtung dargestellt. Wie bei den Zugversuchen sind die Steifigkeiten vom APWP deutlich unter denen des Referenzmaterials N636. Bei den Festigkeiten verhält es sich jedoch konträr.

Abb. 50: Durchschnittliche Ergebisse aus Druckversuchen: Spannungs-Dehnungs-Kurven des Material APWP und N636

0

20

40

60

0 0,005 0,01 0,015

Spa

nnun

g in

MP

a

Dehnung

MD CD

0

50

100

0 0,005 0,01 0,015S

pann

ung

in M

Pa

Dehnung

MD N636CD N636MD APWCD APW

0

10

20

30

40

0 0,004 0,008

Spa

nnun

g in

MP

a

Dehnung

MD N636CD N636MD EFMCD EFM

-

-

-

-

- -

a) b)




Schubversuche - Bestimmung der Eigenschaften von V92P und N636

Zur Bestimmung der Schubeigenschaften für die Simulation im AP 10 wurde der entwickelte Schubrahmen aus AP 7 eingesetzt und Zugversuche unter 45°-Ausrichtung (Ausrichtung der MD-Achse zur Belastungsachse) durchgeführt. Abgeleitete Ergebnisse sind in Abb. 51 beispielhaft dargestellt.

Abb. 51: Durchschnittliche Verläufe bestimmt aus Schubversuchen: Schubspannung über Schubwinkel des Material APWP und N636

Ergebnis Im Ergebnis lagen für alle getesteten Materialien mechanische Kennwerte wie Elastizitätsmodul und Versagensspannung für die Belastungsfälle Zug und Druck, bei orthotropen Materialien jeweils in MD- und CD-Richtung, sowie Schub vor. Darauf aufbauend konnte einer Werkstoffauswahl getroffen werden. Das Material welches für die Faltkernfertigung (AP 8.3) ausgewählt wurde, wird als APWP bezeichnet. Als Referenzmaterial wurde ein N636-Papier durch die Firma Foldcore GmbH bereitgestellt und ebenfalls vermessen. Die bestimmten Spannungs-Dehnungs-Verläufe für die verschiedenen Belas-tungszustände wurden für die Bestimmung der Kontinuums-mechanischen Materialparameter für das entwickelte Materialmodell (AP 9) verwendet.

14.2 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften senkrecht zur Papier-fläche (vgl. AP 8.2)

Schubverhalten out-of-plane

Für alle entwickelten dreilagigen Papiere wurden Schubversuche senkrecht zur Ebene durchgeführt. Die Schubspannungs-Verzerrungs-Diagramme (s. Abb. 52) zur Beschreibung der Schubdeformation senkrecht zur Ebene entstehen unter Zuhilfenahme einer externen optischen Deformationsanalyse, deren Ergebnisda-ten getrennt von denen der Maschinensteuerung vorliegen.

Abb. 52: Verzerrungs-Schubspannungs-Kurven aus out-of-plane-Schubversuch aus optischen Deformationsanalysen an der Probenstirnseite

0

20

40

60

0 0,01 0,02

Sch

ubsp

annu

ng

Schubwinkel

N636 APW

Schu

bspa

nnun

g

in M

Pa

1.8

0 0 Schubverzerrungswinkel 0,10




3-Punkt-Biege-Versuche

Die Beulsteifigkeit kann indirekt über die Biegesteifigkeit bewertet werden. Daher wurden 3-Punkt-Biegeversuche mit einem Abstand der äußeren Auflager von 20 mm durchgeführt. Die Probenbreite betrug 30 mm und die Probentiefe 40 mm. Zunächst ist deutlich zu erkennen, dass Phenolharz-imprägnierte Papiere signifikant bessere Eigenschaften aufweisen. Weiterhin wird deutlich, dass Papiere auf Basis von Basaltfasern (V84E) deutlich schlechtere Biegeeigenschaf-ten hatten. Die Papiere V92E und V86E unterschieden sich ausschließlich darin, dass V86E keine Füllkörper in der Mittellage aufwies. Demensprechend belegt die 30 % höhere relative Biegesteifigkeit, dass der Ansatz des dreilagigen Papiers prinzipiell funktioniert. Das Material V85E weist zwar die höchste Biege-steifigkeit auf, hat jedoch eine relativ geringe Maximalkraft. Hier kam es zum Delaminieren der mit Hohlglaskugel versetzen Mittelschicht. Dies ist durch das schlechtere Imprägnierverhalten des Materials V85E zu begründen.

Beurteilung der Versuchsergeb-nisse

Als Imprägnierharz konnte wiederum Phenolharz identifiziert werden und Basalt- und Aramidfasern für die weitere Verwendung ausgeschlossen werden. Da Mittellagen mit Hohlglaskugeln ein ausgeprägtes Delaminationsverhalten auf-zeigten, wurde dieser Füllstoff in der Mittellage ausgeschlossen.

Ergebnis Im Ergebnis liegt eine Beurteilung der mechanischen Eigenschaften senkrecht zur Papierebene der entwickelten Materialien vor. Aufbauend auf AP 6 wurde ein Papier mit Carbonfasern und Aramid-Fibriden in Deck- und Mittellage sowie mit Perlit als Füllkörper in der Mittellage zur weiteren Verwendung ausgewählt. In den zeitlich nachfolgenden Untersuchungen im AP 8.1 wurde das als APWP (adaptierter papierartiger Werkstoff) bezeichnete Material, als jenes identifiziert, welches sich am besten für die definierten Beanspruchungen eignet.

14.3 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Kernstrukturen (vgl. AP 8.3)

Vorgehen Nachdem das Material APWP identifiziert und durch die PTS gefertigt wurde und N636 als Referenzmaterial ausgewählt wurde, hat die Firma Foldcore GmbH Faltkerne aus jenen Materialien gefertigt, welche anschließend am ILR auf Druck in Dickenrichtung und Schub in L- und W-Richtung getestet wurde.

Kernherstellung Für die Faltkerne wurde eine gebräuchliche Geometrie gewählt. Die Parameter wurden entsprechend Abb. 10 zu 𝐻=25 mm, 𝐿𝐹𝐹=9,45 mm und 𝑆𝐹𝐹=𝑉𝐹𝐹=12,5 mm gewählt, wobei die restlichen Parameter wie 𝜓𝐹𝐹 und 𝛼𝐹𝐹 daraus rückre-chenbar sind. Für Druckversuche wurde 4x4 Zellen gewählt, für Schubversuche in L-Richtung 4x8 Zellen und für Schubversuche in W-Richtung 7,5x4 Zellen. Die Kernherstellung gliedert sich in mehreren Schritten. Zunächst wurde das APW mit Phenolharz imprägniert, welches jedoch nicht zur Aushärtung gebracht wurde. In einem zweiten Schritt erfolgten Zuschnitt und Rillen der Faltgeometrie. Anschließend wurde der Kern aufgestellt und in einem Ofen ausgehärtet.




Druckprüfung Bei der Druckprüfung wurde die Drucksteifigkeit von APWP-Kernen mit 393 MPa und die von N636-Kernen mit 139 MPa bestimmt. Die maximale Druckspannung wurde mit 1,48 MPa (APWP) und mit 0,233 MPa (N636) bestimmt. Weiterhin ist aus Abb. 53 a) und b) ersichtlich, dass die Kraft-Verformungs-Kurven der Kerne aus APWP bis zum Versagen quasi-linear verlaufen, während bei den N636-Kerne bereits bei 50 % der Maximalkraft eine Nichtlinearität zu beobachten war.

Schubprüfung in L-Richtung

Die Schubsteifigkeit in L-Richtung von APWP-Kernen konnte zu 71,7 MPa und von N636-Kernen zu 40,0 MPa bestimmt werden. Die maximale Schubspannung in L-Richtung wurde mit 0,651 MPa (APWP) und 0,233 MPa (N636) bestimmt. Aus Abb. 53 c) und d) wird ersichtlich, dass die Kraft-Verformungs-Kurven der Kerne aus APWP bis zu 90 % der Versagenslast quasi-linear verlaufen, während bei den N636-Kernen bereits bei 20 % der Maximalkraft eine Nichtlinearität zu beobachten war.

Schubprüfung in W-Richtung

Die Schubsteifigkeit in W-Richtung von APWP-Kernen konnte zu 74,2 MPa und von N636-Kernen zu 40,0 MPa bestimmt werden. Die maximale Schubspannung in W-Richtung wurde mit 1,02 MPa (APWP) und 0,403 MPa (N636) bestimmt. Aus Abb. 53 c) und d) wird ersichtlich, dass die Kraft-Verformungs-Kurven der Kerne aus APWP bis zu 70 % der Versagenslast quasi-linear verlaufen, während bei den N636-Kernen bereits bei 10 % der Maximalkraft eine Nichtlinearität zu beobachten war.

Kraft-Weg-Ver-läufe der Ver-suche

Abb. 53: Darstellung der Kraft über den Verfahrweg aus Versuchen an Faltkernen: Druckbelastung von a) APWP- und b) N636-Kernen, Schubbelastung in L-Richtung von c) APWP- und d) N636-Kernen und Schubbelastung in W-Richtung von e) APWP- und f) N636-Kernen

0

5

10

0 1

F in

kN

Δl in mm

0

5

10

15

20

0 0,6

F in

kN

Δl in mm0

2

4

6

8

0 2

F in

kN

Δl in mm

0

5

10

0 0,4

F in

kN

Δl in mm0

1

2

0 0,4

F in

kN

Δl in mm

0

2

4

6

0 1

F in

kN

Δl in mmc) d)

e) f)

a) b)




Ergebnisse Die Ergebnisse zeigen, dass eine Fertigung von Faltkernen aus den neuen Material APWP möglich ist. Die Versuche lieferten sinnvolle Ergebnisse und zeigen eine Erhöhung der Drucksteifigkeit um das 2,8-fache, der Druckfestigkeit um das 6,4-fache, der L-Schubsteifigkeit um das 1,8-fache, der L-Schub-festigkeit um das 2-fache, der W-Schubsteifigkeit um das 1,9-fache und der W-Schubfestigkeit um das 2,5-fache. Da APWP ein Flächengewicht von 366,2 g/m² und N636 eines von 165,5 g/m² aufwies, waren auch die APWP-Kerne um das 2,2-fache schwerer als die N636-Kerne. Ein qualitativer Vergleich der (gewichtsspezifischen) Steifigkeiten und Festigkeiten ist aufgrund dessen nicht möglich. Die deutlich verbesserten Druckeigenschaften zeigen jedoch das Potenzial des entwickelten Materials. Daher war es notwendig im AP 10 Kerne aus APWP und N636 mit demselben Flächengewicht nummerisch zu vergleichen, um somit auch die gewichts-spezifischen Vorteile des neuen Werkstoffes belegen zu können.

15 Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Materialmodells für Papier (vgl. AP 9)

Vorgehen Es wurde ein Materialmodell ausgewählt und hinsichtlich seines Verzerrungskör-pers nach einem neu entwickelten Ansatz modifiziert. Eine Modifikation des Ent- und Wiederbelastungsverhaltens wurde neben einer Steifigkeitsabschwächung in Abhängigkeit des Versagens dem Materialmodell hinzugefügt. Nach der erfolgreichen Implementierung als 2D-Material-Modell wurde eine dreidimensio-nale Implementierung vorgenommen. Beide Modelle wurden validiert.

Neue Erkenntnisse

Nach Antragsstellung wurde ein neues Materialmodell speziell für Papier (MAT_PAPER) in das kommerzielle FE-Programm LS-Dyna implementiert [48]. Es basiert auf dem Materialmodell von Xia et al. [49]. Es benötigt viele Parame-ter, welche zum großen Teil nicht aus experimentellen Daten bestimmt werden können. Deshalb sind innerhalb des Materialmodells viele diese Parameter auf Grundlage von Erfahrungswerten festgelegt. Da das Materialmodell jedoch vor allem für Papiere auf natürlicher Basis (Zellstoff-/Holzfaserpapiere) angedacht ist, sind diese Parameter nur bedingt für die Anwendung im Bereich von Aramid-Papieren zulässig. Daher eignet sich dieses verfügbare Materialmodell nicht für die Untersuchung der im Projekt betrachteten Papiere.

15.1 Elastisch-plastisches Materialmodell nach Mäkelä und Östlund

Isotrop-plastisch äquivalentes Material

Als Grundlage für die Entwicklungen und Untersuchungen im Rahmen des Projektes wurde ein von Mäkelä und Östlund entwickeltes Materialmodell genutzt [14]. Es verfolgt das Konzept des isotrop-plastischen äquivalenten Materials (isotropic plasticity equivalent material – IPE), welches von Karafillis und Boyce vorgeschlagen wurde [50]. Es wird ein Transformationstensor 𝑳 eingeführt, welcher den Spannungszustand im anisotropen Material in einen deviatorischen Spannungszustand eines fiktiven isotropen Materials überführt 𝒔 = 𝑳 𝝈 .




J2-Theorie Um das plastische Verhalten zu modellieren, wenden die Autoren die J2-flow Theorie an. Dafür wird die zweite Invarianz mit Hilfe des fiktiven deviatorischen Spannungszustandes gebildet. Sie ergibt sich zu

𝐽2 = 12𝒔𝑖𝑖𝒔𝑖𝑖.

Für diesen Spannungszustand des fiktiven isotropen Materials kann das Von Mises Kriterium angewendet werden. Somit ergibt sich die äquivalente Spannung

𝜎𝑒 = �3𝐽2 . Mäkelä und Östlund haben die Parameter 𝐵 und 𝐷 für orthotrope Materialien eingeführt. Für den ebenen Spannungszustand lässt sich 𝜎𝑒 somit wie folgt angeben:

𝜎𝑒 = �𝜎112 − 𝜎11𝜎22 + (4𝐵2−2𝐵+1)𝜎222

3+ 3𝐷𝜎122

2

Erläuterung des Verzerrungskör-pers

Abb. 54: Modifikation des Von-Mises-Verzerrungskörpers mit den Faktoren B und D nach Mäkela und Östlund In Abb. 54 ist zu sehen, wie der Verzerrungskörper für einen festen Wert für 𝜎𝑒 über die definierten Bedingungen und Parameter modifiziert wird. Der Körper wird um die 11-12-Ebene skaliert und gedreht. Das bedeutet, dass ein geringerer 𝜎22-Anteil von Nöten ist, um das Material plastisch zu verformen. Gleichzeitig wird der Körper um die 11-22-Ebene skaliert.

Hintergrund Mit der äquivalenten Spannung haben die Autoren die sogenannte Belastungs-funktion 𝑓 bestimmt 𝑓 = 𝜎𝑒 − 𝐻∗, wobei 𝐻∗ die Härtungsfunktion ist und den plastischen Anteil wiederspiegelt. Unter der Annahme, dass sich Dehnungstensor in einen elastischen und einen plastischen Teil in der Form 𝜺 = 𝜺𝑒 + 𝜺𝑝 zerlegen lässt, kann aus dem plastischen Dehnungstensor die äquivalente plastische (skalare) Dehnung 𝜀𝑒

𝑝 berechnen werden. Zur Berechnung der Plasti-fizierung wird eine modifizierte Ramberg-Osgood-Relation [51] verwendet:

𝜀 = 𝜎𝐸

+ � 𝜎𝐸0�𝑛

Eingesetzt in die Gleichung der Belastungsfunktion ergibt sich

𝑓 = �3𝐽2 − 𝐸0 εep1n .




Die Belastungsfunktion beschreibt dabei den Beginn der plastischen Verformung. Ist die Funktion negativ tritt keine plastische Verformung auf. Das Material verhält sich rein elastisch. Ein positiver Wert ist physikalisch nicht möglich und hat daher keine Bedeutung. Eine plastische Verformung tritt genau dann auf, wenn 𝑓 = 0 und 𝑑𝜎𝑒 > 0 ist. Der elastische Anteil der Dehnung 𝜺𝑒 ergibt sich aus der Beziehung 𝛔 = 𝑯 𝜺 wobei 𝑯 die Steifigkeitsmatrix ist und für orthotrope Materialien gilt.

15.2 Entwicklung eines angepassten zweidimensionalen Materialmodells

Vorgehen Auf Grundlage des vorgestellten Materialmodells wurde ein Materialgesetz erarbeitet und in LS-Dyna implementiert. Dabei wurde zunächst vor allem die Skalierung für den äquivalenten fiktiven deviatorischen Spannungszustand verändert, um mehr Einfluss auf den Verzerrungskörper nehmen zu können (unterschiedliche Plastizität im Zug- und Druckbereich). Dazu wurde für die Bestimmung der äquivalenten Spannung der zweiten Invarianz die erste Invari-anz 𝐼1 = 𝒔𝑘𝑘 hinzugefügt: 𝜎𝑒 = �3𝐽2 + 𝐼1 .

Ableitung des neuen Verzer-rungskörpers

Die Definition des Verzerrungskriteriums entspricht einer generalisierten Form des anisotropen Drucker-Prager-Kriteriums [52]. Von der Ableitung eines Trans-formationstensors wurde abgesehen, da dieser auch nicht benötigt wurde. Anstelle dessen wurden die erhaltenen Spannungsanteile über Faktoren gewich-tet. Für die Skalare der zweiten und ersten Invarianz ergeben sich im ebenen Spannungszustand 3𝐽2 = 𝑎11 𝜎112 − 𝑏12 𝜎11𝜎22 + 𝑎22 𝜎222 + 3𝑑12 𝜎122 und 𝐼1 = 𝑘11 𝜎11 + 𝑘22 𝜎22.

Abbildung des neuen Verzer-rungskörpers

Abb. 55: Modifikation des von Mises Verzerrungskörpers nach Bugiel Gemäß Abb. 55 wurden die Faktoren 𝑓1+, 𝑓1−, 𝑓2+ und 𝑓2− definiert. Sie beschrei-ben für den entsprechenden einachsigen positiven (+) oder negativen (-) Span-nungszustand die Reduktion von 𝜎𝑖𝑖 gegenüber 𝜎𝑒vonMises. 𝑓1+ ergibt sich immer zu 1. Die restlichen Werte können aus uniaxialen Zug- und Druckversuchen in 1- und 2-Richtung des Papiers gewonnen werden. Die Werte befinden sich übli-cherweise in den Grenzen 0 < 𝑓2+ < 1, −2 < 𝑓1− < −0,5 und −2𝑓2+ < 𝑓2− < −0,5𝑓22+ .

𝑓1−

𝑓2+

𝑓2−




Skalierungs- und Verschiebungs-faktoren

Es konnte gezeigt werden, dass sich die Skalierungs- und Verschiebungsfakto-ren, wie sie für die Ableitung des Verzerrungskörpers benötigt werden, wie folgt aus den 𝑓-Faktoren ableiten lassen:

𝑎𝑖𝑖 = �𝑓𝑖−−𝑓𝑖

+�2

4𝑓𝑖−2𝑓𝑖

+2 , 𝑘𝑖𝑖 = 12� 1𝑓𝑖− + 1

𝑓𝑖+�

Rotationsfakto-ren

Zur Bestimmung der Rotationsfaktoren 𝑏𝑖𝑖 wurde ein Punkt auf dem Verzer-rungskörper nach Mäkelä und Östlund festgelegt: 𝑃(𝜎11,𝜎22, 0). Dieser Punkt sollte nun bei gleicher äquivalenter Spannung für den Verzerrungskörper nach Mäkelä und Östlund und für den neuen Verzerrungskörper übereinstimmen. Somit konnte gezeigt werden, dass sich 𝑏12 wie folgt ergibt:

𝑏12 = 1𝑓2+�𝑎11 − �𝑘11 + 𝑘22𝑓2+ − �2 − 𝑓2+�

2+ 𝑎22𝑓2+

2 �

Mit dem modifizierten Verzerrungskörpers kann eine neue äquivalente Spannung 𝜎𝑒 berechnet werden. Es wurde äquivalent zum Ansatz nach Mäkelä und Öst-lund verfahren.

15.3 Ableiten eines dreidimensionalen Materialmodells

Vorgehen

Abb. 56: Beispielhafte Modifikation, dreidimensionaler Schnitt-Verzerrungskörper für Schubspannungen Null (𝑓2+ = 0,5; 𝑓3+ = 0,25; 𝑓1− = −0,6; 𝑓2− = −0,3; 𝑓3− = −0,5; 𝑏12 = −0,045; 𝑏13 = 1,451; 𝑏23 = 1,841) Zur Bestimmung des dreidimensionalen Spannungszustandes (vergleiche Abb. 56) wurden die ersten beiden Invarianzen äquivalent zum zweidimensionalen Modell definiert. Sie ergeben sich zu:

3𝐽2 =𝑎11 𝜎112 + 𝑎22 𝜎222 + 𝑎33 𝜎332 …

−(𝑏12 𝜎11𝜎22 + 𝑏13 𝜎11𝜎33 + 𝑏23 𝜎22𝜎33) …+3(𝑑12 𝜎122 + 𝑑13 𝜎132 + 𝑑23 𝜎232 )

und

𝐼1 = 𝑘11 𝜎11 + 𝑘22 𝜎22 + 𝑘33 𝜎33

Mit 𝜎𝑒 = �3𝐽2 + 𝐼1 ergibt sich ein sechsdimensionaler Verzerrungskörper und somit kann eine neue äquivalente Spannung 𝜎𝑒 berechnet werden. Das weitere Vorgehen ist äquivalent zum zweidimensionalen Materialmodell.




15.4 Wiederbelastungsmodell

Hintergrund Das Materialmodell sollte in der Lage sein, Ent- und Wiederbelastungen abzubil-den, da solche Belastungsszenarien bei Versuchen an Flugzeugstrukturen vorkommen können. Da Aramidpapier sich bei Ent- und Wiederbelastung unter-schiedlich verhält, musste dieser Aspekt für das Modell betrachtet werden.

Wiederbelastung bei Mäkelä und Östlund

Das Modell nach Mäkelä und Östlund geht davon aus, dass eine nicht-plastische Verformung sich immer wie die linear-elastische Anfangsverformung verhält. Das Material würde sich demnach bei einer Ent- und Wiederbelastung linear-elastisch bis zum Erreichen der Plastifizierungsgrenze verhalten (schematisch dargestellt in Abb. 57).

Abb. 57: Typischer Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Kurve für Ent- und Wie-derbelastungen (- - -) und Anstieg des äquivalenten E-Modul für verschiedene plastische Dehnungsbereiche ( )

Wiederbelas-tungsmodell - Grundlagen

Ziel des neuen Ansatzes war es die verbleibende plastische Dehnung bei vollständiger Entlastung richtig abzubilden. Dazu wurden zunächst Datensätze bezüglich dem Wiederbelastungsverhalten von Papier gesammelt [53, 54, 55]. Am ILR wurden zusätzlich Wiederbelastungs-Versuche an reinem Aramidpapier unterschiedlicher Dicke in MD-Richtung und in CD-Richtung durchgeführt [22].

Wiederbelas-tungsmodell – Auswertung der Versuchsdaten

Die Datensätze wurden dahingehend ausgewertet, dass der Anstieg im Null-punkt bestimmt wurde

𝐸|0 = 𝑑𝜎𝑒 𝑑𝜀𝑒

�0

Weiterhin wurde der effektive Anstieg für jeden Ent- und Wiederbelastungsvor-gang bestimmt (vergleiche Abb. 57). Die Querdehnung wurde für die Bestim-mung der effektiven Dehnung vernachlässigt. Aus dem Verhältnis des Anstieges bei einer bestimmten äquivalenten plastischen Dehnung zum Anstieg im Null-punkt, lässt sich das Abschwächungsverhältnis

𝜂𝐸�𝜀𝑒𝑝� = 𝐸|0

𝐸|𝜀𝑒𝑝 bestimmen.




Abbildung des Abschwä-chungsverhält-nisses

Abb. 58: Abschwächungsverhältnis aufgetragen über die äquivalente plastische Dehnung für verschiedene Papiere [22, 53, 54, 55]

Definition des Abschwä-chungsverhält-nisses

Es wurde eine Funktion definiert, welche das Abschwächungsverhältnis appro-ximieren kann (vergleiche Abb. 58). Dazu wurde eine Exponentialfunktion der folgenden Form gewählt:

𝜂𝐸�𝜀𝑒𝑝� = 𝜂∞ �𝑒−�𝑓𝜀 𝜀𝑒

𝑝�𝑛𝜀 − 1� + 1

Dabei ist 𝜂∞ das Abschwächungsverhältnis bei dem Grenzwert unendlich großer Dehnung. Der Wert wurde zu 𝜂∞ = 0,5 gewählt. 𝑓𝜀 ist der Abschwächungsfaktor und wurde zu 𝑓𝜀 = 100 gewählt. Der Abschwächungsexponent 𝑛𝜀 beeinflusst die Funktion nichtlinear und wurde mit 𝑛𝜀 = 0,7 gewählt.

15.5 Implementierte Versagensmodelle

Abbildung implementierter Versagenskörper

Abb. 59: Schematische Versagenskörper der implementierten Versagenskriterien (hier dargestellt für den ebenen Spannungszustand): a) maximale Spannung; b) Teilellipsoiden; c) Tsai-Wu mit 𝐹12 = 0; d) Tsai-Wu mit 𝐹12 ≠ 0

Maximale Spannung

Das Versagenskriterium der maximalen Spannung bildet eines der einfachsten Kriterien, vergleiche Abb. 59 a). Es wird kontrolliert, ob eine Spannungskompo-nente die zugehörige maximale Spannung überschreitet. Für den ebenen Spannungszustand ergibt sich ein Quader. Nachteilig ist, dass mehrachsige Spannungszustände stark überschätzt werden.

Teilellipsoide Um dieses Überschätzen zu vermeiden, wurde das zweite Modell implementiert, welches die einzelnen maximalen Spannungen mit Teilellipsoiden verbindet, siehe auch Abb. 59 b). Das Ergebnis ist ein stetiger Versagenskörper. Auch diese Methode ist sehr einfach, aber auch sie kann das Versagen unter multiaxi-aler Belastung nicht korrekt vorher sagen.




Tensorial Strength Analysis mit 𝑭𝟏𝟏 = 𝟎

Dieses Versagenskriterium, dargestellt in Abb. 59 c), ist äquivalent zum Pau-schalkriterium von Tsai und Wu. Dabei verbindet ein einziger Ellipsoid alle Randpunkte 𝜎�𝑖𝑖+,𝜎�𝑖𝑖−, �̂�𝑖𝑖 mit 𝑖 = 1 … 3, 𝑗 = 1 … 3, 𝑖 ≠ 𝑗. Der Drehparameter 𝐹12 wurde in einer ersten Näherung zu Null gesetzt.

Tensorial Strength Analysis mit 𝑭𝟏𝟏 = 𝒇( 𝝈�𝟒𝟒°)

Untersuchungen an dem Drehparameter 𝐹12 haben gezeigt, dass die Tensorial Strength Analysis die besten Übereinstimmungen zeigt, sofern der Faktor 𝐹12 aus einem kombinierten Spannungszustand

𝜎�45° = � 1𝜏�𝑥𝑥2

+ 1𝜎�𝑥2

+ 1𝜎�𝑥2�−1/2

bestimmt wird.

15.6 Implementierung, Validierung und Anwendung des Materialmodells

Vorgehen Das Materialmodell wurde in einer Fortran-Routine umgesetzt, in eine LS-DYNA-Version implementiert und anschließend kompiliert.

Ableitung der mechanischen Kenngrößen aus den Versuchen an APWP und N636 im AP8.2

Zur Bestimmung der Materialparameter wurde eine Programmroutine entwickelt, welche zwischen gemessenen und errechneten Spannungs-Dehnungs-Kurven die kleinsten Fehlerquadrate bestimmt und mittels generalisiertem reduziertem Gradienten-Optimierungs-Verfahren minimiert. Die Ergebnisse sind in Tab. 14 aufgelistet. Tab. 14: Mechanische Kennwerte vom APWP und N636

𝑡/mm 𝑚�/ gm2 𝐸𝑀𝐷/ N

mm2 𝐸𝐶𝐷/ Nmm2 𝐺/ N

mm2 𝜈 𝐸0/ Nmm2 𝐵

APWP 0,728 366,2 4768 3723 1563,1 0,390 231,9 4,516 N636 0,148 165,5 15106 12298 4947,8 0,390 548,7 4,422

𝐷 𝜂𝑀𝐷 𝜂𝐶𝐷 𝜎�𝑀𝐷/ Nmm2 𝜎�𝐶𝐷/ N

mm2 𝜎�𝑀𝐷− / Nmm2 𝜎�𝐶𝐷− / N

mm2 �̂�/ Nmm2

APWP 1,020 1,388 1,179 45,2 32,1 -33,6 -28,9 31,4 N636 1,110 2,296 1,797 120,1 106,3 -29,7 -27,0 55,9




16 Simulation statischer und dynamischer Belastungsversuche an den entwickelten Papierwerkstoffen und Referenzmaterialien (vgl. AP 10)

Hintergrund Das im AP 6 gefertigte und imprägnierte Material APWP hatte fertigungsbedingt ein wesentlich höheres Flächengewicht als handelsübliche Materialien, wie N636, welches als Referenzmaterial eingesetzt wurde, oder Nomex. Ein Ver-gleich der gewichtsspezifischen Eigenschaften ist nicht aussagekräftig, da dies beispielsweise eine Verdopplung der Druckfestigkeit bei einer Verdopplung der Materialstärke entsprechen würde. Aufgrund des Beulversagens kann jedoch nicht von einem lineareren Zusammenhang ausgegangen werden. Daher wurden die numerischen Rechnungen durch Versuche aus dem AP 8.3 validiert. Anschließend wurde ein fiktives N636 Material (N636SW) mit einem Flächenge-wicht von 366,2g/m² erstellt, um abschließend die Kerneigenschaften numerisch zu bestimmen und vergleichen zu können. Weiterhin waren die numerischen Untersuchungen für die Optimierung (AP 11) der Kerngeometrie, sowie für eine theoretische Betrachtung des Einflusses des Flächengewichtes des entwickelten Materials APWP nötig.

Vorgehen Mittels Sandmesh (vgl. Kap. 6.10) wurden FE-Netze von Faltkernen und Honig-waben erstellt. Die im AP 8.1 bestimmten mechanischen Eigenschaften wurden in einer LS-Dyna Version (vgl. Kap. 6.11) verwendet, welche das im AP 9 (vgl. Kap. 15) entwickelte Materialmodell enthält. Untersuchungen hinsichtlich des Elementgrößeneinflusses wurden durchgeführt. Nach erfolgreicher Validierung durch Versuchsergebnisse wurden Vergleichsrechnungen für gleiche Flächen-gewichte durchgeführt.

16.1 Validierung des Simulationsmodells anhand der Testergebnisse

Modellerstellung Mittels Sandmesh wurden die Faltkerne entsprechend der gewählten Geometrie aus AP 8.3 (vgl. Kap. 14.3) nachmodelliert. Dabei wurden die Imperfektionspa-rameter zu 𝑎�=0,3 mm und zu �̂�=0,04 mm gewählt.

Elementgrößen-abhängigkeit

Es wurde eine Untersuchung der Elementgrößenabhängigkeit durchgeführt. Da die Anfangssteifigkeiten nahezu identisch blieben, wurde nur die Maximalkraft betrachtet. Wie aus Abb. 60 ersichtlich, war ab einer mittleren Elementkanten-länge von 1 mm keine signifikante Änderung der Maximalkraft mehr festzustel-len. Daher wurde dieser Wert für die nachfolgenden numerischen Untersuchun-gen verwendet.

Abb. 60: Einfluss der Elementgröße auf die Rechengenauigkeit verschiedener Belastungsszenarien (Druck, Schub in LR und Schub in WR)

0,5

1,0

1,5

2,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

norm

ierte

M

axim

alkr

aft

1/Elementgröße in 1/mm

DruckSchub LRSchub WR




Prüfgeschwin-digkeit in den Simulationen

Aufgrund der erforderlichen feinen Diskretisierung kam es zu sehr hohen Re-chenzeiten von mehreren Tausend CPU-Stunden für eine Rechnung. Um die Rechenzeit zu verkürzen, wurde die Belastungsgeschwindigkeit bis auf 120 mm/min erhöht. Bei diesem Wert waren keine zusätzlichen Einflüsse (beispiels-weise durch Trägheitseffekte) zu beobachten.

Nachrechnung der Testergeb-nisse

Als Ergebnis der numerischen Berechnungen wurde der globale Kraft-Ver-schiebungs-Verlauf ausgewertet und mit den experimentell bestimmten Verläu-fen verglichen. Wie in Abb. 61 zu erkennen ist, stimmen die Anfangsanstiege sowie die Maximalkräfte gut bis sehr gut überein. Die Abweichungen betragen 3 % bis 15 %. Allein die maximalen Schubspannungen in W-Richtung weichen mit 46 % und 59 % erheblich von den experimentell bestimmten Werten ab. In den Versuchen kam es hier zu Effekten, welche innerhalb der Simulationen nicht abgebildet werden konnten. Weiterhin traten bei der Nachrechnung der N636-Kerne zu geringe Verformun-gen auf. Dies ist darin zu begründen, dass das N636 Material als dreischichtiger Werkstoff agiert und nach dem relativ spröden Versagen des Phenolharzes (Außenschicht) das Aramidpapier (Innenschicht) sich lokal bis zu 10 % dehnen kann. Dies ließ sich numerisch nicht abbilden, da keine Materialkennwerte für reine Aramidpapier vom N636 vorlagen oder bestimmt werden konnten. Auf die Aussagekraft der maximalen Kernspannungen und der Kernsteifigkeit hatte dies nur einen geringen Einfluss.

Vergleich der Versuchs- und Simulationser-gebnisse

Abb. 61: Experimentell und mittels FEA bestimmte Kraft-Verschiebungs-Verläufe für: a) Druckbelastung, b) Schubbelastung in L-Richtung und c) Schubbelastung in W-Richtung von Sandwichkernen

Ergebnis Die Steifigkeiten und maximale Spannungen unter Druck- und Schubbelastun-gen konnten weitgehend erfolgreich numerisch abgebildet werden. Die Defizite bei der Bestimmung der maximalen Schubspannung in W-Richtung waren nachvollziehbar. Da dies unabhängig von der Kernkonfiguration oder Material-auswahl zu annähernd gleichen Abweichungen führte, war ein Vergleich zwi-schen den Simulationsergebnissen verschiedener Faltkern- und Werkstoffkonfi-gurationen dennoch möglich.

0

5

10

0 0,1 0,2

F in

kN

Δl in mm

0

5

10

0 0,25 0,5 0,75

F in

kN

Δl in mm

0

5

10

15

0 0,25 0,5 0,75

F in

kN

Δl in mma) b) c)

Exp.: ---- APWP FEA: - - - APWP ---- N636 - - - N636




16.2 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Faltkernen

Materialanpas-sung N636SW

Da die Materialeigenschaften von Material N636 dicken-abhängig sind und da es keine dickere Ausführung des Materials gab, war es nicht zulässig die Dicke des N636 Materials innerhalb der Simulationen zu erhöhen, um ein höheres fiktives Flächengewicht zu erhalten. Um ein realistisches Material mit dem Flächenge-wicht vom APWP zu erhalten, wurde daher das Material N636 beidseitig inner-halb der Simulationen um je eine Harzschicht erweitert, welche eine Dicke von t = 0,064 mm aufwiesen. Dies führte zu einem Flächengewicht von 366 g/m². Die benötigten Materialparameter wurden [22] entnommen. Das fiktive Material wird als N636SW bezeichnet.

Vorhersage der Kerneigenschaf-ten

Kerne aus den Materialien N636SW, N636 und APWP wurde simuliert und gegen die Festigkeits- und Steifigkeitsergebnisse der N636SW-Rechnungen verglichen, vgl. Abb. 62. Die Eigenschaften vom N636-Kernen lagen 50 – 75 % unter denen der N636SW-Kerne. Die Eigenschaften der APWP-Kerne hingegen lagen teilweise deutlich oberhalb der N636SW Kerneigenschaften. Während die Schubeigen-schaften mit 10 – 20 % nur geringfügig verbessert werden konnten, war es möglich die Druckeigenschaften um 50 – 70 % zu erhöhen.

Abb. 62: Vergleich der numerisch ermittelten maximalen Kernspannung und der Kernsteifigkeit für: a) Druckbelastung, b) Schubbelastung in L- und c) Schubbe-lastung in W-Richtung

Einordnung der gewichtsspezifi-schen Ergebnis-se

Abb. 63: Vergleich der ermittelten gewichtsspezifischen Kerneigenschaften der APWP-Kerne und der N636SW-Kerne gegenüber verfügbarer Honigwaben- (HC) und Faltkerne (FK) aus Nomex und N636 (Quellen gemäß Tab. 15).

0%

50%

100%

0%

50%

100%

0%

50%

100%

150%

0

50

100

20 200

0

2

4

6

8

20 200

0

10

20

30

40

20 200

0

1

2

3

20 200

0

10

20

30

20 200

0

1

2

20 200

𝜎� max

𝐷/

Nm

/g

𝜏̅ max

𝐿𝑅/

Nm

/g

𝜏̅ max

𝑊𝑅

/ N

m/g

𝐸�𝐷

/ kN

m/g

𝐺�𝐿𝑅

/ kN

m/g

𝐺�𝑊𝑅

/ kN

m/g

𝜌 in (kg/m³)𝜌 in (kg/m³)𝜌 in (kg/m³)


HC Nomex HC N636 FK Nomex FK N636 FK APW P FK N636 SW

𝜎�𝜎�N636𝑠𝑠 𝐸

𝐸N636𝑠𝑠 𝜏�WR

𝜏�WRN636𝑠𝑠 𝐺WR

𝐺WRN636𝑠𝑠 𝜏�LR

𝜏�LRN636𝑠𝑠 𝐺LR

𝐺LRN636𝑠𝑠

■ N636SW ■ N636 ■ APWP

a) b) c)




Wie aus Abb. 63 hervorgeht, konnten vor allem die Steifigkeiten gegenüber handelsüblicher Nomex-Honigwabenkerne verbessert werden. Weiterhin erwie-sen sich die Druckfestigkeit sowie die Drucksteifigkeit als signifikant größer gegenüber den verfügbaren Daten anderer Faltkerne aus Nomex und N636. Im Gegensatz dazu liegen die Werte der Schubfestigkeiten und Schubsteifigkeiten auf ähnlichem Niveau.

Tab. 15: Quellen zur Einordnung der gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften der Kernstrukturen

Ergebnis Die gewichtsspezifischen Kerneigenschaften konnten ermittelt werden. Mit dem angeführten Vergleich konnte das Potentential des entwickelten Materials besonders hinsichtlich der Druckeigenschaften verdeutlich werden.

16.3 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Honigwabenkernen

Modellerstellung Mittels Sandmesh wurde Honigwabenkerne modelliert, sodass sie dem Raum-gewicht der getesteten APWP-Kerne entsprachen. Die Parameter wurden zu 𝐻 = 25 mm, 𝑎𝐻𝐶 = 11,1 mm, 𝑏𝐻𝐶 = 11,1 mm, 𝑟𝐻𝐶 = 2 mm, 𝜃𝐻𝐶 = 60 °, �̂� = 0,05 mm und 𝑎� = 0,3 mm gewählt.

Vorhersage der statischen spezi-fischen Kernei-genschaften

Um die Rechenzeit zu verkürzen, wurde auch hier mit einer Belastungsge-schwindigkeit von 120 mm/min gerechnet. Es waren wiederum keine Träg-heitseinflüsse zu beobachten. Wie aus Abb. 64 ersichtlich, übertrafen die gewichtsspezifischen Kerneigen-schaften der Honigwabenkerne mit APWP als Grundmaterial überwiegend die Eigenschaften von Honigwaben aus Nomex und teilweise sogar Honigwaben aus N636. Dies bedeutet, dass der Einsatz des Materials bei Honigwaben wirtschaftlich als sinnvoll erscheint.

Honigwabenkerne aus Nomex Honigwabenkerne aus N636 Euro-Composites: Mechanical Properties - ECA Honeycomb, 02 2010

Euro-Composites: Mechanical Properties of ECK Honeycomb, 01 2010

Hexcel Corporation: HexWeb® A1 and A10 - Product Data, 03 2007

Hexcel Corporation: HexWeb® HRH-36 - Para-Aramid/Phenolic Core - Product Data, 03 2010

Hexcel Corporation: HexWeb® HRH-10 - Product Data, 01 2013

Hexcel Corporation: HexWeb® HRH-49® - KEVLAR® 49® - Product Data, 06 2014

Plascore GmbH & CoKG: PN2 Aerospace Grade Aramid Fiber Honeycomb, 2014

Plascore GmbH & CoKG: PK2 Kevlar® N636 Para-Aramid Fiber Honeycomb, 2014

SCHÜTZ GmbH & Co. KGaA: CORMASTER C1 - Technische Daten, 2014

SCHÜTZ GmbH & Co. KGaA: CORMASTER N636 - Vorläufige technische Daten, 2014

SCHÜTZ GmbH & Co. KGaA: CORMASTER C2 - Technische Daten, 2014 The Gill Corporation: Gillcore™ HD Honeycomb - Product Data Sheet, 09 2014

The Gill Corporation: Gillcore™ HK Honeycomb - Product Data Sheet, 09 2014

Faltkerne aus Nomex-ähnlichem Papier Faltkerne aus N636 Fischer, Sebastian: Numerische Simulation der mechanischen Eigenschaften von Faltkernstrukturen, Universität Stuttgart, Diss., 2012

Leichtbau durch funktionsintegrierende Strukturen in Multi Material Design - hybride Sandwichbauweisen für Schienenfahrzeuge: PURtrain; Abschlussbericht des Forschungsvorhabens FKz 03X3019 des BMBF




Einordnung der gewichtsspezifi-schen Ergebnis-se

Abb. 64: Einordnung der ermittelten gewichtsspezifischen Kerneigenschaften der APWP-Honigwabenkerne und Faltkerne gegenüber verfügbarer Honigwaben- (HC) und Faltkerne (FK) aus Nomex und N636 (Quellen Tab. 15)

Vorhersage der dynamischen spezifischen Kerneigenschaf-ten

Die dynamischen Kennwerte wurden äquivalent zu den statischen ermittelt. Allein die Belastungsgeschwindigkeit wurde auf 2,85 m/s erhöht. Während die Festigkeitswerte mit dem APWP Material um 50-80 % gegenüber dem N636SW erhöht werden konnten, blieben die Steifigkeiten zur Maximalkraft

𝐸∗ = 𝐹𝑚𝑚𝑥 𝐻𝐴 Δ𝑙∗

bei Schubbelastung auf gleichen Niveau. 𝐸∗ sank bei Druckbelastung um 45 %, vgl. Abb. 65. Die Flächen unter den Kraft-Verschiebungs-Kurven sind bei allen Belastungsarten bei APWP-Kernen größer. Das bedeutet, dass eine größere Energieabsorption möglich ist, was für Endanwendungen durchaus von Bedeu-tung sein kann.

Abb. 65: Darstellung der Simulationsergebnisse bei Schlagbelastung: a) maxima-le Kernspannung und b) Steifigkeit zur Maximalkraft 𝐸∗ = (𝐹𝑚𝑎𝑚 𝐻) (𝐴 Δ𝑙∗)⁄ für N636SW und APWP

0

50

100

20 200

02468

10

20 200

0

10

20

30

40

20 200

0

1

2

3

20 200

0

10

20

30

20 200

0

1

2

20 200

𝜎� max

𝐷/

Nm

/g

𝜏̅ max

𝐿𝑅/

Nm

/g

𝜏̅ max

𝑊𝑅

/N

m/g

𝐸�𝐷

/kN

m/g

𝐺�𝐿𝑅

/ kN

m/g

𝐺�𝑊𝑅

/ kN

m/g



HC Nomex HC N636 FK N636 FK Nomex FK APW P HC APW P

0

1

2

3

4

Druck SchubWR

SchubLR

0200400600800

1000

Druck SchubWR

SchubLR

N636 swEFM p

σ max

/ N/m

m²

E* /

N/m

m²

a) b)

■ N636SW

■ APWP




17 Optimierung der Sandwich-Kernstruktur bezüglich der mechanischen Eigenschaften (vgl. AP 11)

Hintergrund Da die Faltkerngeometrie entsprechend der Fertigbarkeit durch die Foldcore GmbH gewählt wurde und die optimale Geometrie für das Flächengewicht von APWP nicht bekannt war, war davon auszugehen, dass Faltkerngeometrien existieren, die bei gleichem oder niedrigerem Raumgewicht, zu besseren spezifi-schen Kerneigenschaften führen. Dies machte eine Optimierung der Faltkerngeometrie notwendig, welche erfolg-reich durchgeführt werden konnte. Zu variierende Parameter waren 𝑉𝐹𝐹, 𝐿𝐹𝐹, 𝑆𝐹𝐹 und das Flächengewicht des Kernmaterials.

Optimierungser-gebnisse

Abb. 66: Darstellung der Kernschubeigenschaften über den Kerndruckeigen-schaften der berechneten Faltkerne: spezifische Steifigkeit (a) und Festigkeit (b) Insgesamt wurden 432 Versuche numerisch nachgebildet und hinsichtlich der Kernsteifigkeit und maximalen Kernspannung ausgewertet, vgl. Abb. 66. Es bildet sich eine sogenannte Parethofront aus. Höhere Eigenschaften sind nicht möglich und die Ergebnisse auf der Parethofront entsprechen den Optimalen. Dementsprechend ist ein Optimum bezüglich maximaler Kerndruck- oder maxi-maler Kernschubeigenschaften (hier nur L-Richtung betrachtet) zu finden. Die Einordnung der Optimierungsergebnisse hinsichtlich verfügbarer Kerndaten geschieht in Abb. 67. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine signifikante Steige-rung bezüglich der Druck- bzw. der Schubeigenschaften möglich war.

Einordnung der Ergebnisse

Abb. 67: Einordnung der spezifischen Kerneigenschaften der optimierten APWP- Faltkerne gegenüber verfügbarer Honigwaben- (HC) und Faltkerne (FK) aus Nomex und N636 (Quellen gemäß Tab. 15)

0

1

2

3

0 2 4 6 8 100

10

20

30

0 10 20 30 40

Ausgangs-konfigurationSimulations-ergebnisseParethofront

𝜎�max𝐷 / Nm/g

𝜏̅ max

𝐿𝑅/

Nm

/g

𝐸�𝐷 / kNm/g

𝐺�𝐿𝑅

/ kN

m/g

0

50

100

20 200

02468

10

20 200

0

10

20

30

40

20 200

0

1

2

3

20 200

𝜎� max

𝐷/

Nm

/g

𝜏̅ max

𝐿𝑅/

Nm

/g

𝐸�𝐷

/ kN

m/g

𝐺�𝐿𝑅

/ kN

m/g

𝜌 in (kg/m³)𝜌 in (kg/m³)

𝜌 in (kg/m³)𝜌 in (kg/m³)

HC NomexHC N636FK N636FK NomexFK Druck opt.FK Schub LR opt.




Faltkerne – optimierte Geometrien

Tab. 16: Faltkerngeometrien der opt. Faltkerne für eine Kernhöhe von 𝐻=25 mm

Optimiert bzgl.

Konfigu-ration

Flächen-gewicht g/m²

Raumgewicht kg/m³

𝑉𝐹𝐹 mm

𝐿𝐹𝐹 mm

𝑆𝐹𝐹 mm

Schub WR K7 300 20,9 7,1 24,8 7,1 Schub WR K2 360 30,1 8,7 23,3 5,0 Schub WR K8 360 55,6 7,1 35,4 7,1 Druck K9 180 27,8 5,0 7,7 8,7 Druck K9 240 37,1 5,0 7,7 8,7 Druck K9 360 55,6 5,0 7,7 8,7

Ergebnis Im Ergebnis konnte numerisch nachgewiesen werden, dass optimierte Faltkerne sowie auch Honigwabenkerne aus dem Material APWP das Potenzial haben, die gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften von Sandwichkernen erheb-lich zu verbessern. Der Einsatz in Honigwabenkernen bringt vor allem die Möglichkeit der Verbesserung der Drucksteifigkeit. Im Gegensatz dazu können Faltkerne entsprechend ihrer Belastung (Druck-, Schub- oder kombinierte Druck-Schub-Belastung) optimiert werden (vgl. Tab. 16).

18 Herstellung von Funktionsmustern (vgl. AP 12)

Vorgehen Aufbauend auf den Ergebnissen der vorherigen Arbeitspakete wurden Funkti-onsmuster von Sandwich-Strukturen mit Kernen aus APWP hergestellt.

Durchführung In Abb. 68 a) ist Funktionsmuster I mit einer Breite von 200 mm und einer Bogenlänge von 600 mm dargestellt. Funktionsmuster II ist 600 mm breit und 800 mm lang und in Abb. 68 b) dargestellt. Es wurden die folgenden drei Funkti-onalitäten eingebracht:

I. Belüftung durch offenzelligen Faltkern II. Kabeldurchführung durch offenzelligen Faltkern III. Beschnitt der Faltkerngeometrie vor dem Aufstellprozess

a) b) Abb. 68: Funktionsmuster: a) gekrümmte Sandwichschale mit Faltkern b) Sand-wichplatte mit Faltkern, Belüftung (I), Kabelkanal (II) und Fensterausschnitt (III)

Ergebnis Zwei Funktionsmuster zur Verdeutlichung von vier Funktionalitäten wurden angefertigt. Damit kann gegenüber möglichen Herstellern und Anwendern das Potenzial und die Vorteile dieser papierbasierten Kernbauweise an einer realen Struktur gezeigt werden.




Glossar

Glossar AP Arbeitspaket APW Adaptierter papierartiger Werkstoff BG Blähglasgranulat CD Querrichtung DDB Dynamischer Blattbildner FEA Finite Element Analyse FK Faltkern FS1 Forschungsstelle 1 (PTS-PTI) FS2 Forschungsstelle 2 (PTS-IZP) FS3 Forschungsstelle 3 (ILR) GK Glashohlkugeln GSK Graustufenkorrelationsverfahren HC Honeycomb - Honigwabenkern ILR Institut für Luft- und Raumfahrttechnik IZP Institut für Zellstoff und Papier ges. gesamt Max Maximalwert Min Minimalwert MD Maschinenrichtung MPP Massively Parallel Processing MW arithmetischer Mittelwert N Anzahl der Werte n.q. Nicht quantifizierbar

N636/Kevlar Kevlar® ist eine para-Aramid Markenfaser (bzw. ein Papier aus dieser Faser) der Firma du Pont

Nomex Nomex® ist eine meta-Aramid Markenfaser (bzw. ein Papier aus dieser Faser) der Firma du Pont

P Phenolharz-imprägniert PAM Polyacrylamid PEEK Polyetheretherketon PEI Polyetherimid PI Polyimid PPS Polyphenylsulfid PTI Papiertechnisches Institut PTS Papiertechnische Stiftung PTT Polyethylenterephtalat PVA Polyvinylalkohol REM Rasterelektronenmikroskop RK Rapid-Köthen SCT Streifenstauchwiderstand SMP Symmetric multiprocessing StA Standartabweichung




SW Gleiches Flächengewicht wie APWP VPM Versuchspapiermaschine Var. Variation

ZIH Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen

Lateinische Formelzeichen

Formelzeichen Einheit Bezeichnung 𝑎� mm maximalen Verschiebungsamplitude 𝑎𝑖𝑖 - Spannungsskalierungsfaktor 𝑖𝑖 𝑎𝐻𝐶 mm Honigwabe: Länge doppelte Wabenwand 𝒂 - Erste part. Ableitung der Belastungsfunktion nach 𝝈 𝐴 mm² Fläche 𝐴𝐹𝐹 mm² Freifläche der Beulstütze 𝑏𝐻𝐶 mm Honigwabe: Länge einzelne Wabenwand 𝑏𝑖𝑖 - Spannungsdrehfaktor 𝑖𝑗 𝐵 - CD-Verzerrungsparameter nach Mäkelä & Östlund 𝑯 MPa Steifigkeitsmatrix 𝐷 - Schub-Verzerrungsparameter nach Mäkelä & Östlund 𝑫 Nmm Biegesteifigkeitsmatrix 𝐸 MPa Elastizitätsmodul 𝐸𝑠 MPa Sekanten-Modul 𝐸∗ MPa Dynamisch äquivalente Steifigkeit 𝐸� Nm/g Auf dichte bezogener Elastizitätsmodul 𝑓 MPa Belastungsfunktion

𝑓+, 𝑓− - Einachsiger Zug-, Druckfaktor 𝑓𝜀 - Abschwächungsfaktor 𝐹 N Kraft 𝐹12 1/MPa² Tsai-Wu Drehfaktor 𝐺 MPa Schubmodul �̅� Nm/g Auf dichte bezogener Schubmodul 𝐻 mm Kernhöhe 𝐻∗ MPa Härtungsfunktion 𝐼1 MPa Erste Invarianz 𝐽2 MPa² Zweite Invarianz 𝑘𝑖𝑖 - Einachsiger Spannungsverschiebungsfaktor 𝑖𝑖

𝑘𝑡, 𝑘𝑄, 𝑘𝜌 - Dicken-, Steifigkeits- und Dichtekorrekturfaktor 𝑙 mm Länge 𝑳 - Transformationstensor

𝐿𝑐𝑎𝑚 mm Kameraabstand 𝐿𝑚 , 𝐿𝑧 mm Abmaß einer Beulplatte 𝐿𝐹𝐹 mm Faltkern: Halbe Länge in L-Richtung 𝑚� g/m² Flächengewicht 𝑛𝜀 - Abschwächungsexponent 𝑁𝑧𝑘𝑘 Nmm Kritische Beullast




𝑸 N/mm² Steifigkeitsmatrix �̂� mm Maximale zufällige Knotenverschiebung 𝑟𝐻𝐶 mm Faltkern: Radius der Harzecken 𝒔 MPa Spannungstensor 𝑆𝐹𝐹 mm Faltkern: Halbe Breite in W-Richtung 𝑡 mm Dicke 𝑉𝐹𝐹 mm Faltkern: Versatz in L-Richtung 𝑉 mm³ Volumen

𝑥, 𝑦, 𝑧 mm Koordinaten des allgemeinen Koordinatensystems

Griechische Formelzeichen

Formelzeichen Einheit Bezeichnung 𝛼1,2,3,4 - Beulfaktoren 𝛼𝐹𝐹 ° Faltkern: Wandwinkel 𝛼𝑐𝑎𝑚 ° Kamerawinkel 1 𝛽𝑐𝑎𝑚 ° Kamerawinkel 2 𝛾𝐹𝐹 ° Faltkern: Winkel zwischen L-Linien 𝛾𝑐𝑎𝑚 ° Einschneidewinkel Kamerasystem 𝛾 - Schubverzerrungswinkel Δ𝛾 - Änderung des Schubverzerrungswinkel Δ𝑙 mm Wegänderung

Δ𝜎 MPa Differenz zwischen dem finalen Spannungszustand und dem Versuchszustand

𝜀, 𝜺 - Dehnung, Dehnungsvektor 𝜂 - Besserungsfaktor

𝜂𝐶𝐷 , 𝜂𝑀𝐷 - Druckskalierungsfaktor in CD und MD 𝜂𝐸 - Abschwächungsverhältnis 𝜂∞ - Grenzwert des Abschwächungsverhältnisses 𝜈 - Querkontraktionszahl 𝜓𝐹𝐹 ° Faltkern: Winkel zwischen W-Linien 𝜌 kg/m³ Dichte, Raumgewicht 𝜎,𝝈 MPa Spannung, Spannungsvektor 𝜎� MPa Maximale Spannung 𝜎� Nm/g Auf Dichte bezogene Spannung 𝜏 MPa Schubspannung �̂� MPa Maximale Schubspannung 𝜏̅ Nm/g Auf Dichte bezogene Schubspannung 𝜃𝐻𝐶 ° Honigwabe: Expansionswinkel der Wabe




Exponenten Formelzeichen Bezeichnung APW Adaptierter papierartiger Werkstoff

D Bezüglich Druckbelastung e Elastisch E Epoxidharz imprägniert

FK Faltkern HC Honigwabe LR L-Richtung p plastisch P Phenolharz imprägniert

WR W-Richtung

Index Formelzeichen Bezeichnung 1,2,3 Materialrichtung (1 – MD, 2 – CD, 3 – ZD) 45° Unter 45° zur MD- und CD-Richtung dL Deckende Lage e Äquivalenter Zustand (tief gestellt)

kla Klassischer Werkstoff mL Mittlere Lage 𝑥, 𝑦, 𝑧 Bzgl. des allgemeinen Koordinatensystems




Literatur 1 Hähnel, F., Wolf, K.: Simulation of the damage tolerance behaviour of CFRP/honeycomb sandwich

based on measured properties of the resin impregnated core paper: European Conference on Composite Material, Stockholm, 2008

2 Matheas, J.; Erdt, M.; Altmann, S.: Numerical simulation of tensile testing using stochastically pro-duced fibre networks of paper. Progress in Paper Physics Seminar 2011, Ed.: U. Hirn, Verlag der Technischen Universität Graz, Graz, 2011, S. 367-368 (ISBN 978-3-85125-163-0)

3 Themenheft Forschung – Leichtbau, Universität Stuttgart 2007, ISSN 1861-0269

4 Stosch, M.: Leichtbau gewinnt an Gewicht Leichtbaukonstruktionen im Möbelbau, Teil 1 – Entwick-lung der Werkstoffe

5 BM-Sonderdruck: Leichtbau, Konradin Verlag, Leinfelden-Echterdingen, 2011

6 Firma Dupont: Nomex-Aramidpapier http://www.dupont.com/

7 Bos, J.H., Staberock, M.: Das Papierbuch - Handbuch der Papierherstellung, 2nd ed., ECA Pulp und Paper, Houten, 2006

8 Lorusso, M., Phipps, J.S.: Filler Options for Uncoated Groundwood Paper, Wochenblatt für Pa-pierfabrikation 127, 21, 1999, S. 1406-1410

9 Blechschmidt, J. (Hrsg.): Papierverarbeitungstechnik, Carl Hanser Verlag, München (2013), ISBN 978-3-446-43071-6

10 Gratz, S.: Expandierbare Mikrosphären verbessern die Eigenschaften von Papier und Karton, Wo-chenblatt für Papierfabrikation 134, Nr. 3-4, 2006, S. 122-123

11 Schramm, S., Welling, J.: Erzeugung leichter 3D-Holzformteile mittels eines papierbasierten Kern-werkstoffes, Aif 273 ZBG – Abschlussbericht, 2010

12 Wu, Y.-J., Seferis, J. C., Lorentz, V.: Evaluations of an aramid fiber in nonwoven processes for honeycomb applications, Journal of Applied Polymer Science Vol. 86, 2002, S. 1149-1156

13 Xia, Q. S.:Mechanics of Inelastic Deformation and Delamination in Paperboard, Dissertation, Mas-sachusetts Institute of Technology, 2002

14 Mäkelä, P., Östlund, S.: Orthotropic elastic-plastic material model for paper materials, International Journal of Solids and Structures 40, 2003, S. 5599–5620

15 Wolf, E.: Theoretische und experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum Scherschneiden von Papier, Dissertation, 2004

16 Mark, R. E.: Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard, V. 1, Marcel Dekker Inc., New York, 1983

17 Bugiel, A.: An enhanced material model for polymer papers used in cellular sandwich cores, noch nicht veröffentlicht

18 Xia, Q. S., Boyce, M. C., Parks, D. M.: A constitutive model for the anisotropic elastic-plastic defor-mation of paper and paperboard, International Journal of Solids and Structures 39, 2002, S. 4053–4071

19 DIN EN ISO 1924-2, Papier und Pappe - Bestimmung von Eigenschaften bei Zugbeanspruchung - Teil 2: Verfahren mit konstanter Dehngeschwindigkeit (20 mm/min), 2008

20 DIN 53134:2005-04, Prüfung von Papier und Pappe - Bestimmung des Ringstauchwiderstandes, 2005

21 DIN 54518:2004-03, Prüfung von Papier und Pappe – Streifenstauchwiderstand, 2004


http://www.matheas.eu/Matheas_et_al_2011_Numerical%20simulation%20using%20stochastically%20produced%20fibre%20networks%20of%20paper.pdf

http://www.dupont.com/



22 Hähnel, F.: Ein Beitrag zur Simulation des Versagens von Aramid-Honigwaben in schlagbelasteten Sandwich-Strukturen, Dissertation, Technische Universität Dresden, 2016

23 Hähnel, F.: Vorrichtung für die mechanische Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Schubkennwer-te von Werkstoffen, Patent 10 2010 006 163.8

24 Stenberg, N.: On the out-of-plane mechanical behaviour of paper materials, Dissertation, Stock-holm: Hållfasthetslära; 2002

25 Bitzer, T.: Honeycomb technology - materials, design, manufacturing, applications and testing, Chapman und Hall, London [u.a.], 1997

26 Shafizadeh, J.E., Seferis, J.C., Chesmar, E.F., Frye, B.A., Geyer, R.: Evaluation of mechanisms of water migration through honeycomb core. J. Mater. Sci. 38, 2547–2555 (2003)

27 Schütz Industry Services, Schütz Coremaster: Die Leichtbaustruktur für höchste Anforderungen, Schütz GmbH & Co. KGaA, 2004

28 Kehrle, R., Drechsler, K.: Manufacturing of folded core structures for technical applications. In: SAMPE Europe 25th International Conference, Paris, 2004

29 Klett, Y., Drechsler, K., Kolax, M., Wentzel, H.-P., Kehrle, R.: Design of multifunctional folded core structures for aerospace sandwich applications. In: 1st CEAS European Air and Space Conference, Berlin, 2007

30 Kolax , M.: Concept and technology: Advanced composits fuselage structures, JEC Composites Magazine 10, 2004, 31–33.

31 Fischer, S., Drechsler, K., Kilchert, S., Johnson, A.: Mechanical tests for foldcore base material properties: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 40, 12, 2009, S. 1941-1952

32 Hauffe, A.: Validierung eines Modells zur numerische Simulation der Restfestigkeit von CFK Sand-wich mit Faltwabenkern, Diplomarbeit, TU Dresden, 2007

33 Gross, D., Hauger, W., Wriggers, P.: Technische Mechanik, Band 4: Hydromechanik, Elemente der Höheren Mechanik, Numerische Methoden, Springer-Verlag, 2009

34 Foo, C.C., Chai, G.B., Seah, L.K.: A model to predict low-velocity impact response and damage in sandwich composites: Composites Science and Technology, Vol. 68, 2008, S. 1348–1356

35 Zhu, S., Chai, G.B.: Damage and failure mode maps of composite sandwich panel subjected to quasi-static indentation and low velocity impact: Composite Structures, Vol. 101, 2013, S. 204 – 214

36 Giglio, M., Manes, A., Gilioli, A.: Investigations on sandwich core properties through an experi-mental-numerical approach: Composites Part B: Engineering, Vol. 43, Nr. 2, 2012, S. 361 – 374

37 Hähnel, F., Wolf, K.: Evaluation of the material properties of resin-impregnated Nomex paper as basis for the simulation of the impact behaviour of honeycomb sandwich: Proceedings of Confer-ence of Composite Testing and Material Parameter Identification, Porto, 2006

38 Foo, C.C., Chai, G.B. Seah, L.K.: Mechanical properties of Nomex material and Nomex honeycomb structure: Composite Structures, Vol. 80, 2007, S. 588-594

39 Hähnel, F., Wolf, K.: Simulation of the damage tolerance behaviour of FRP/honeycomb sandwich based on measured properties of the resin impregnated core paper: European Conference on Composite Material, Stockholm, 2008

40 Stier, J.: Akustische Strukturoptimierung eines Schienenfahrzeugradsatzes mit einem evolutionä-ren Algorithmus, Diplomarbeit, TU Dresden, 2012

41 Streubig, M., Wolf, K.: SAND-MESH Plus - A Parameter Controlled Finite Element Pre-processor for Composite Sandwich Structures, CEAS, 2007




42 Fellers, C. The Significance of Structure on the Compression Behavior of Paper. The Royal Institute of Technologie, Stockholm : Department of Paper Technology, Diss., 1980.

43 Um, G.J., Lee, Y.K. und Kim, H.J. Development of a New Uniaxial Compression Test Method for Paper Materials using Aluminum Honeycomb as a Lateral Supporter. Journal of Industrial Engineering Chemistry. Volume 12, 2006, No. 1.

44 Bai, Y., Zhang, C. Capacity of Nonlinear Large Deformation for Trusses Assembled by Brittle FRP Composites. Composite Structure. Volume 95, Page 3347-3353, May 2012.

45 Gning, P.B., et al. Through-thickness strength measurements using Arcan’s method. Composites: Part B. 41, 2010, S. 308–316.

46 Lee, S. und Munro, M. Evaluation of in-plane shear test methods for advanced composite materials by the decision analysis technique. Composite. 17, 1986, S. 13–522.

47 Klonau, Mark. Optimierung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Schubeigenschaften von Papiermaterial. Dresden : ILR, TU Dresden, Diplomarbeit, 2012

48 DYNAmore GmbH. Webinar: Neuheiten in LS-DYNA R7.1.1. [Online] 15. 05 2014. [Zitat vom: 20. 10 2014.] http://www.dynamore.de/de/download/presentation/dokumente/ download-webinar-ls-dyna711/2014-dynamore-webinar-ls-dyna-r711-d.pdf.

49 Xia, Qingxi S., Boyce, Mary C. und Parks, David M. A constitutive model for the anisotropic elastic–plastic deformation of paper and paperboard. International Journal of Solids and Structures. Volume 39, Issue 15, Pages 4053–4071, 2002.

50 Karafillis, A.P. und Boyce, M.C. A general anisotropic yield criterion using bounds and a transformation weighting tensor. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1993, Bd. 12, 41: 1859 – 1886.

51 Ramberg, W. und Osgood, W. R. Description of Stress-Strain Curves by Three. 1943. Technical report

52 Liu, C., Huang, Y. und Stout, M. G. On the asymmetric yield surface of plastically orthotropic materials: A phenomenological study. Acta Materialia. 1997, vol. 45, no. 6, S. 2397-2406.

53 Bronkhorst, C. A. Modelling paper as a two-dimensional elastic–plastic stochastic network. International Journal of Solids and Structures 40. 2003, S. 5441–5454.

54 Niskanen, Kaarlo. Mechanics of Paper Products. Berlin/Bosten : Walter de Cruyster GmbH & Co. KG, 2014.

55 Coffin, Douglas W. Use of the efficiency factor to account for previous straining on the tensile behavior of paper. Nordic Pulp and Paper Research Journal Vol 27. no. 2 2012, S. 305-312

56 Bugiel, A., Hähnel, F., Reichenbach, P. und Wolf, K.: Prüfvorrichtung für Druckfestigkeit dünnwan-diger Materialien - Patent 10 2015 100 467 A1

57 Lasdon, L. S., Fox, R. L., und Ratner, M. W.: Nonlinear optimization using the generalized reduced gradient method. RAIRO - Operations Research - Recherche Opérationnelle 8.V3 (1974): 73-103.

58 Zakirov, I., et al. Foldcore Structures: Performance, Technology and Production. Paris : SAMPE EUROPE, International Conference, 2006.

59 Kollar, L. P. und S., Springer G. Mechanics of Composite Structures. Cambridge : Cambridge University Press, 2003.


www.ptspaper.de

Papiertechnische StiftungHeßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 · Mail [email protected] Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899 · Mail [email protected]

Documents

Veröffentlichung-Vorlage für IGF und INNOWATT · 16 Simulation statischer und dynamischer Belastungsversuche an den entwickelten Papierwerkstoffen und Referenzmaterialien (vgl