Stabiles Sandwich: Alu-Schaum zwischen CFK

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Technische Universität Ilmenau

Koppelstellen sind der kritische Punkt

Gegenstand der Untersuchungen ist eine dynamisch belastete Baugruppe einer Maschine. Das Referenzbauteil ist aus einer leichten Magnesiumlegierung gefertigt und wird durch Frequenzen bis 2000 Hz angeregt. Die dynamische Last des betrachteten Bauteils wird durch die Befestigung von Prüfkörpern erhöht. Diese sind mittels einer Schraubverbindung befestigt und bewirken zusätzlich flächige Druckbelastungen. Kritische Punkte im Hinblick auf die Substituierung durch einen Hybridverbund, bestehend aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) und Aluminiumschaum, sind die Koppelstellen zur Rumpfmaschine, die Befestigungsinserts für die Prüfkörper sowie die kostenbewusste Herstellung des Hybridverbundes an sich.

Das Alu/CFK-Sandwich dämpft Schwingungen

Ein Hybridverbund aus einem Aluminiumschaumkern und CFK-Laminaten bietet einen vielversprechenden Entwicklungsansatz, um das Gewicht der betrachteten Baugruppe zu reduzieren. Die Vorteile dieses Hybridverbundes liegen, neben dem geringen Gewicht, in den sehr guten Dämpfungseigenschaften des Aluminiumschaums. Das CFK-Laminat bewirkt in diesem Verbund die sehr guten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit und nimmt den Großteil der einwirkenden Lasten auf. Das Laminat, welches die beiden Deckschichten bildet, ist aus einem biaxialen Carbonfasergelege in Kombination mit einer duroplastischen Epoxidharzmatrix aufgebaut. Im Vergleich dazu dient der Aluminiumschaumkern durch seine geringe Dichte hauptsächlich der Gewichtsreduktion. Darüber hinaus bewirkt das Kernmaterial die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments, wodurch die Steifigkeit des Verbundes insgesamt erhöht wird. Der Aluminiumschaum besitzt eine zellulare Struktur mit einem großen Volumenanteil an luftgefüllten Poren, welche durch dünne Zellwände aus Aluminium voneinander getrennt sind. Trotz seiner geringen Dichte besitzt der Schaum eine hohe spezifische Scherrate und Bruchfestigkeit.

RTM-Verfahren liefert reproduzierbare Teile

Die verfahrenstechnische Umsetzung des Verbundes aus Aluminiumschaum und Faserverbund stellt eine besondere Herausforderung des Projektes dar. Das Verbundbauteil soll im RTM-Verfahren hergestellt werden. Dieses geschlossene Verfahren ist geeignet, reproduzierbar Bauteile in hoher Qualität herzustellen, und erlaubt eine sehr gute Imprägnierung der Fasern. Das Verfahren gestattet es, die gezielte Einstellung eines hohen Faservolumengehaltes von bis zu 60 % zu erreichen, wodurch das Laminat sehr gute mechanische Eigenschaften erhält. Die offenporige Oberfläche des Aluminiumschaumes stellt sich für das RTM-Verfahren als nachteilig heraus, da sie eine Penetration des Schaumes während des Injektionsvorganges zulässt. Das überflüssige Harz, welches in den Poren eingeschlossen wird, erhöht die Dichte des Verbundes, wodurch das Leichtbaupotenzial der Struktur nur unzureichend ausgenutzt wird.

Sperrschicht optimiert die Herstellung

Es musste ein Verfahrensablauf entwickelt werden, welcher eine übermäßige Penetration des Aluminiumschaums mit Harz verhindert und gleichzeitig die vollständige Imprägnierung der Fasern gewährleistet. Eine erstmals angewendete Sperrschicht hemmt ein Einfließen des Harzes in die Poren des Aluminiumschaums. Die Festigkeit des Verbundes Aluminiumschaum-CFK wird dabei nicht zerstört. Die gesamte Baugruppe kann also im One-Shot-Verfahren hergestellt werden.

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