Technische Problemstellung
Konventionelle Sandwichstrukturen mit Schaum- oder Wabenkernen weisen Einschränkungen in Bezug auf lokale Lasteinleitung und Einleitung von Impactlasten, Schubfestigkeit, Lebensdauer bei Schwingungsbelastungen und plastische Verformbarkeit auf. Diese führen häufig zu Kernscherbrüchen oder Delamination unter hohen Lasten und Versagen bei Schwingungsbeanspruchungen. Zusätzlich sind konventionelle Fertigungsverfahren energieintensiv und bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Materialeinsparung und Funktionsintegration.
Herausforderung
Die Entwicklung eines hochbelastbaren, multifunktionalen Sandwichverbunds erfordert im Bereich des Kernverbunds ein strukturelles Konzept, das gleichzeitig leicht, steif, energieabsorbierend und fertigungstechnisch effizient ist. Die Herausforderung liegt dabei in der mechanisch-funktionellen Optimierung bei gleichzeitiger Erfüllung von Nachhaltigkeitszielen und industrieller Herstellbarkeit.
Lösung und Ergebnis
Die bionische Wölbstrukturierung stellt einen neuen nachhaltigen Umformprozess dar, der durch induziertes Beulen und Selbstorganisation dreidimensionale Strukturen in dünnwandigen Materialien (Faserverbund und Blechen) erzeugt. Die Anwendung als Kernstruktur in einem Sandwichverbund bietet folgende Vorteile:
- 7-fache Biegesteifigkeit der solitären Wölbstruktur gegenüber unstrukturiertem Material
- Isotrope Steifigkeitsverteilung
- Hohe Energieabsorption und Lastumverteilung durch DeepHEX-Kernformen
- Offene Kernstruktur – keine Feuchtigkeitsakkumulation
- Mechanisch belastbare Verbindung durch punktuelle oder flächige Verklebung, Nieten oder Schweißen
- Skalierbare Herstellung durch industrielle Prozesse
Die Multiparameter-Sandwichstruktur mit bionisch gewölbtem Kern erlaubt durch gezielte Anordnung der Verbindungspunkte eine steuerbare Biege-, Torsions- und Schubsteifigkeit. Untersuchungen zeigen eine potenzielle Gewichtsreduktion von bis zu 50 % bei vergleichbarer Steifigkeit zu konventionellen Sandwich-Systemen.
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