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EFB-Forschungsbericht Nr. 479

Analyse und Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwich-Kerne

efb479

Verfasser:
Prof. Dr. Frank Miletzky, Dipl.-Ing.(FH) Johann Strauß, Papiertechnisches Institut PTI der Papiertechnischen Stiftung München, Dr.-Ing. Timo Kuntzsch, Institut für Zellstoff und Papier IZP der Papiertechnischen Stiftung PTS Heidenau - Prof. Dr.-Ing. Klaus Wolf, Dr.-Ing. Falk Hähnel, Dipl.-Ing. Alexander Bugiel, Professur für Luftfahrzeugtechnik am Institut für Luft- und Raumfahrttechnik, Technische Universität Dresden

128 Seiten (sw, 68 teils farbige Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-531-2

Preis (Digital) EUR 66,00

Preis (Print) EUR 75,00

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von adaptierten papierartigen Werkstoffen für Falt-und Honigwabenkernen in Sandwichstrukturen durch Weiterentwicklungen in der messtechnischen und simulationsgestützten Charakterisierung und deren mechanischer Eigenschaften für den Einsatz in Leichtbaustrukturen.

Der entwickelte Kernwerkstoff stellt einen Werkstoff mit einem deutlich erweiterten 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 nachgewiesen werden.

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 Konstruktionswerkstoff geschaffen worden.

Das entwickelte Materialmodell ermöglicht signifikante Verbesserung der Genauigkeit 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 Nachweisuntersuchungen eine kostengünstigere Auslegung neuer innovativer Strukturen und Produkte.

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 Forschungs- und Entwicklungskapazitäten von kmU in diesen Bereichen, sind die Ergebnisse von größter Bedeutung für deren Wettbewerbsfähigkeit.

Das IGF-Vorhaben „Analyse und Simulation mechanischer Eigenschaften bei der Entwicklung adaptierter papierartiger Werkstoffe für Falt- und Honigwaben-Sandwich-Kerne" der Forschungsvereinigungen PTS und EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18256BG über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 479 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

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.

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.

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.

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 methods enables potential users to dimension new, innovative structures and products much faster and, by reducing the need for expensive experimental verification studies, more cost-efficiently.

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.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
1 Einleitung
1.1 Leichtbaustrukturen und ihre Anwendung
1.1.1 Leichtbau mit großer Anwendungsbreite
1.1.2 Leichtbaustrukturen im Flug-zeug- und Schienenfahrzeugbau
1.1.3 Kernmaterialien und deren Nachteile
1.1.4 Defizite und notwendige Optimierung des Kernaufbaus
1.1.5 Potenzial für papierbasierte Werkstoffe
1.1.6 Papier als konstruktiver Werkstoff
1.2 Papierartige Werkstoffe und ihre Herstellung
1.2.1 Papier, Papier-herstellung
1.2.2 Papierwerkstoffe durch Einsatz von Füllstoffen und Additiven
1.2.3 Papierwerkstoffe durch Einsatz von Kunststoff-fasern
1.3 Materialverhalten papierbasierter Werkstoffe
1.3.1 Einordnung in Materialmodelle papierbasierter Werkstoffe
1.3.2 Vorhandene Messmethoden
1.4 Hochleistungs-Sandwich-Kerne auf Basis papierartiger Werkstoffe
1.4.1 Diskret stützende Hochleistungs-Sandwich-Kerne auf der Basis von Papiermaterialien
1.4.2 Stabilitätsversagen von diskret stützenden Kernen
1.4.3 Schädigung und Systemversagen
1.4.4 Simulation von Sandwich-Kernen aus Papierwerkstoffen
1.4.5 Optimierung von Falt- oder Wabenkernen
2 Forschungsziele
3 Gesamtvorgehen
3.1 Übersicht
4 Material und Methoden
4.1 Aufbereitung der Faserstoffe und Additive
4.1.1 Faserstoffe:
4.1.2 Füllkörper / Füllstoffe:
4.2 Grundcharakterisierung der Faserstoffe bzw. Füllkörper
4.2.1 Faserstoffe / Füllkörper
4.2.2 Messverfahren
4.3 Papierherstellung im Labor
4.3.1 Vorgehen
4.3.2 Rapid-Köthen-Verfahren (RK-Verfahren)
4.4 Papierherstellung im Technikum – Versuchspapiermaschine (VPM)
4.4.1 Aufbau
4.4.2 Blattbildung VPM - Option Lang-sieb und Schräg-sieb
4.5 Charakterisierung der papierartigen Werkstoffe im nichtimprägnierten Zustand
4.5.1 Messverfahren:
4.6 Analytik der papierartigen Werkstoffe im imprägnierten Zustand
4.6.1 Messverfahren:
4.7 Verfahren zur Sandwichkerncharakterisierung
4.7.1 Normverfahren:
4.7.2 Kernschubprüfung
4.8 Verformungsmessung mit ARAMIS
4.8.1 ARAMIS-System
4.9 Auswerteverfahren zur Bestimmung von Material- und Sandwichkernparametern
4.9.1 Messverfahren - Aufgenommene Messdaten
4.9.2 Maximale Spannung
4.9.3 Steifigkeit
4.10 Modellierung von Falt- und Honigwabenstrukturen
4.10.1 Das Programm SandMesh 2.1.0
4.10.2 Benötigte Parameter von Falt- und Honig-wabenkernen
4.10.3 Abbildung geometrischer Parameter
4.11 Explizite Simulation
4.11.1 Das Programmpaket LS-DYNA und LS-PrePost
4.11.2 Nutzung des Programmpakets
5 Definition von Anforderungen an den zu entwickelnden Papierwerkstoff (vgl. AP 1)
5.1 Vorgehen
5.2 Anforderungsprofil der Grundmaterialien
5.3 Mechanische Anforderungen
5.4 Literaturrecherche bezüglich der Erhöhung der Biegesteifigkeit von Kernwänden
5.5 Ansatz des dreilagigen adaptierten papierartigen Werkstoffes
5.6 Ergebnis - Materialauswahl
5.7 Ergebnis – Verbesserungspotenzial
6 Rohstoffauswahl, -beschaffung, Grundcharakterisierung und Versuchsprogramm für Laborversuche zur Materialherstellung (vgl. AP 2)
6.1 Überblick über die Faserstoffe für die Versuche zur Werkstoffherstellung
6.1.1 Ergebnisse – Auswahl der Fasern
6.1.2 Fasertypen - Aramid
6.1.3 Aramidfasern: Faser-Charakterisierung
6.1.4 Mineralische Fasern / Carbonfasern
6.1.5 Polymere Hochtemperaturfaser - Fasertypen
6.2 Überblick über die Füllkörper für die Versuche zur Werkstoffherstellung
6.3 Werkstoffherstellung - Versuchsplanung
6.3.1 Hintergrund
6.3.2 Versuchsplanung zur Entwicklung Faltkernwerkstoff
6.3.3 Faserstoff-Screening
7 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 3)
7.1 Vorgehen
7.1.1 Entwicklungs-phasen
7.1.2 Überblick Faser-stoff-Screening / Blattbildung
7.2 Faserstoffaufbereitung
7.2.1 Faserstoff-Dispergierung / Suspendierung
7.2.2 Ergebnis
7.3 Bindemittelsystem
7.3.1 Ziel
7.3.2 Papierwerkstoff - Einsatz Bindemittelsystem
7.3.3 Papierwerkstoff - Einsatz Bindemittelsystem
7.4 Herstellung Papierwerkstoff – Einsatz Faserstoff auf Basis Aramid
7.4.1 Blattbildungsversuche
7.4.2 Papierwerkstoff - Typ fibrillierte Aramidfasern
7.4.3 Papierwerkstoff - Typ fibrillierte Aramidfasern
7.4.4 Papierwerkstoff - Typ fibrillierte Aramidfasern
7.4.5 Papierwerkstoff - Aramid-Fibride in Kombination mit Aramid-Kurz-schnitt-Fasern
7.5 Herstellung Papierwerkstoff – Anteiliger Ersatz von Aramidfasern durch Mineral-/ Carbonfasern
7.5.1 Abbildung der Variation Anteil Basalt-/ Carbonfasern
7.5.2 Variation Anteil Basalt-/ Carbon-fasern
7.6 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff – Anteiliger Einsatz von speziellen Kunststofffasern (Hochtemperaturfasern)
7.6.1 Eigenschaften der Laborblätter bei anteiligem Einsatz von speziellen Kunststofffasern
7.6.2 Anteiliger Einsatz von speziellen Kunststofffasern (Hochtemperatur-fasern)
7.7 Blattbildungsversuche am Dynamischen Blattbildner (DBB)
7.8 Zusammenfassung der Ergebnisse
7.8.1 Faserarten und Blattbildung
7.8.2 Einsatz von Bindemittel (Phenolharz) bei der Blattbildung
8 Materialherstellung im Labormaßstab – einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper (vgl. AP 4)
8.1 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss Art und Anteil der Füllkörper
8.1.1 Vorgehen
8.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff mit Füllkörper – Einfluss des Einsatzes von Additiven bei der Blattbildung am Beispiel von Glashohlkugeln (GK1)
8.3 Zusammenfassung der Ergebnisse
8.3.1 Fazit
9 Materialherstellung im Labormaßstab – mehrlagiger Papierwerkstoff (vgl. AP 5)
9.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff – Variation der Materialzusammensetzung der Innenlage (unterschiedliche Füllkörper) bei konstanter Materialzusammensetzung der Decklage
9.1.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation Materialzusammensetzung der Innenlage
9.2 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation der Materialzusammensetzung (Faserstoffvariante) der Decklage in Kombination mit Innenlage mit Füllkörper
9.2.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Variation Materialzusammensetzung der Decklagen
9.3 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Ersatz Carbon-Frischfaser durch Carbon-Rezyklat-Faser in Decklage und Innenlage
9.3.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Vergleich Carbon-Frisch-faser / Carbon-Rezyklat-Faser
9.4 Ergänzende Laborversuche als Vorbereitung zur kontinuierlichen Papierherstellung - Anpassung der Rezeptur auf Basis der ersten VPM-Versuche
9.4.1 Mehrlagiger Papierwerkstoff - Ersatz Aramid-Kurzschnitt-Faser in der Aramid-Faser-Komponente
9.5 Zusammenfassung und Fazit
10 Übertragung der Materialherstellung (Papierwerkstoff) von Labor auf kontinuierliche Fertigung auf der Versuchspapiermaschine (vgl. AP 6)
10.1 Vorgehen - Versuchsansätze
10.2 Herstellung einlagiger Papierwerkstoff ohne / mit Füllkörper mittels Langsiebfahrweise
10.2.1 Versuchsansatz I
10.2.2 Ergebnisse Versuchsansatz II
10.2.3 Ergebnisse Versuchspapiermaschine - Einlagig ohne Füllkörper
10.2.4 Ergebnisse Versuchspapiermaschine - Einlagig mit Füllkörper
10.3 Mehrlagige Herstellung – 3-schichtiger Papierwerkstoff mittels Schrägsiebfahrweise
10.4 Mehrlagige Herstellung - Herstellung 3-lagiger Papierwerkstoff mittels Langsiebfahrweise
10.5 Mehrlagige Herstellung - Alternative Vorgehensweise zur Herstellung des 3-lagigen Papierwerkstoffs: Verklebung der einzelnen Lagen
10.5.1 Ergebnisse Screening Kleb-stoffe / Auftragssystem
10.5.2 Mehrlagiger Werkstoff – Vergleich Lagen vergautscht (Labor) mit Lagen verklebt (VPM)
10.5.3 Mehrlagiger Werkstoff – Vergleich Lagen vergautscht (Labor) mit Lagen verklebt (VPM)
11 Methodik zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Papierwerkstoffe (vgl. AP 7)
11.1 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Schubprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.1)
11.1.1 Literaturrecherche und Auswertung des bisherigen Schubrahmens
11.1.2 Ableitung und Entwicklung eines neuen Schubrahmens
11.2 Entwicklung, Herstellung einer Vorrichtung für Druckprüfung in der Papierfläche (vgl. AP 7.2)
11.2.1 Literaturrecherche
11.2.2 Abbildung der entwickelten Prüfvorrichtung
11.2.3 Entwicklung Prüfvorrichtung
11.2.4 Materialverhalten
12 Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Kernwerkstoffe (vgl. AP 8)
12.1 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften in der Papierfläche (vgl. AP 8.1)
12.1.1 Druckversuche FS2
12.1.2 In-plane-Methoden FS3
12.1.3 Zugversuche - Beurteilung der Papiere aus AP5 und AP6
12.1.4 Beurteilung der Versuchsergebnisse - Auswahl eines Werkstoffes
12.1.5 Zugversuche - Bestimmung der Eigenschaften von APWP und N636
12.1.6 Druckversuche - Bestimmung der Eigenschaften von APWP und N636
12.1.7 Schubversuche - Bestimmung der Eigenschaften von V92P und N636
12.2 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften senkrecht zur Papier-fläche (vgl. AP 8.2)
12.2.1 Schubverhalten out-of-plane
12.2.2 3-Punkt-Biege-Versuche
12.2.3 Beurteilung der Versuchsergebnisse
12.3 Experimentelle Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Kernstrukturen (vgl. AP 8.3)
12.3.1 Kernherstellung
12.3.2 Druckprüfung
12.3.3 Schubprüfung in L-Richtung
12.3.4 Schubprüfung in W-Richtung
12.3.5 Kraft-Weg-Verläufe der Versuche
13 Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Materialmodells für Papier (vgl. AP 9)
13.1 Elastisch-plastisches Materialmodell nach Mäkelä und Östlund
13.1.1 Isotrop-plastisch äquivalentes Material
13.1.2 J2-Theorie
13.1.3 Erläuterung des Verzerrungskörpers
13.1.4 Hintergrund
13.2 Entwicklung eines angepassten zweidimensionalen Materialmodells
13.2.1 Ableitung des neuen Verzerrungskörpers
13.2.2 Abbildung des neuen Verzerrungskörpers
13.2.3 Skalierungs- und Verschiebungs-faktoren
13.2.4 Rotationsfaktoren
13.3 Ableiten eines dreidimensionalen Materialmodells
13.4 Wiederbelastungsmodell
13.4.1 Wiederbelastung bei Mäkelä und Östlund
13.4.2 Wiederbelastungsmodell - Grundlagen
13.4.3 Wiederbelastungsmodell – Auswertung der Versuchsdaten
13.4.4 Abbildung des Abschwächungsverhältnisses
13.4.5 Definition des Abschwächungsverhältnisses
13.5 Implementierte Versagensmodelle
13.5.1 Maximale Spannung
13.5.2 Teilellipsoide
13.5.3 Tensorial Strength Analysis mit F12=0
13.5.4 Tensorial Strength Analysis mit F12=f( s45°):
13.6 Implementierung, Validierung und Anwendung des Materialmodells
13.6.1 Ableitung der mechanischen Kenngrößen aus den Versuchen an APWP und N636 im AP8.2
14 Simulation statischer und dynamischer Belastungsversuche an den entwickelten Papierwerkstoffen und Referenzmaterialien (vgl. AP 10)
14.1 Validierung des Simulationsmodells anhand der Testergebnisse
14.1.1 Modellerstellung
14.1.2 Elementgrößenabhängigkeit
14.1.3 Prüfgeschwindigkeit in den Simulationen
14.1.4 Nachrechnung der Testergebnisse
14.1.5 Vergleich der Versuchs- und Simulationsergebnisse
14.2 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Faltkernen
14.2.1 Materialanpassung N636SW
14.2.2 Vorhersage der Kerneigenschaften
14.2.3 Einordnung der gewichtsspezifischen Ergebnisse
14.3 Vorhersage der spezifischen Eigenschaften von Honigwabenkernen
14.3.1 Vorhersage der statischen spezifischen Kerneigenschaften
14.3.2 Einordnung der gewichtsspezifischen Ergebnisse
14.3.3 Vorhersage der dynamischen spezifischen Kerneigenschaften
15 Optimierung der Sandwich-Kernstruktur bezüglich der mechanischen Eigenschaften (vgl. AP 11)
15.1 Optimierungsergebnisse
15.2 Faltkerne – optimierte Geometrien
16 Herstellung von Funktionsmustern (vgl. AP 12)
16.1 Durchführung
17 Glossar
17.1 Abkürzungen
17.2 Lateinische Formelzeichen
17.3 Griechische Formelzeichen
17.4 Exponenten
17.5 Index
18 Literatur