Flugzeug-Sandwichstrukturen

By | September 23, 2022

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Theorie Eine Sandwichkonstruktion ist ein Konstruktionsplattenkonzept, das in seiner einfachsten Form aus zwei relativ dünnen, parallelen Deckschichten besteht, die mit einem relativ dicken, leichten Kern verbunden und durch diesen getrennt sind. Der Kern stützt die Deckschichten gegen Knicken und widersteht Scherbelastungen außerhalb der Ebene. Der Kern muss eine hohe Scherfestigkeit und Drucksteifigkeit aufweisen. Sandwich-Verbundkonstruktionen werden meistens durch Autoklavenhärtung, Presshärtung oder Vakuumbeutelhärtung hergestellt. Hautlaminate können vorgehärtet und anschließend mit dem Kern verbunden, in einem Arbeitsgang mit dem Kern gemeinsam gehärtet oder eine Kombination der beiden Verfahren sein. Beispiele für Wabenstrukturen sind: Flügelspoiler, Verkleidungen, Querruder, Klappen, Gondeln, Bodenbretter und Ruder. [Figure 1]

Fortschrittliche Verbundwerkstoffe für Flugzeugstrukturen
Abbildung 1. Waben-Sandwich-Konstruktion

Eigenschaften

Die Sandwichkonstruktion hat eine hohe Biegesteifigkeit bei minimalem Gewicht im Vergleich zu Aluminium- und Verbundlaminatkonstruktionen. Die meisten Waben sind anisotrop; Das heißt, Eigenschaften sind gerichtet.

Abbildung 2 veranschaulicht die Vorteile der Verwendung einer Wabenkonstruktion. Eine Erhöhung der Kerndicke erhöht die Steifigkeit der Wabenkonstruktion erheblich, während die Gewichtszunahme minimal ist. Aufgrund der hohen Steifigkeit einer Wabenkonstruktion ist es nicht erforderlich, externe Versteifungen wie Stringer und Spanten zu verwenden. [Figure 2]

Fortschrittliche Verbundwerkstoffe für Flugzeugstrukturen
Abbildung 2. Festigkeit und Steifigkeit eines Wabensandwichmaterials im Vergleich zu einem massiven Laminat

Verkleidungsmaterialien

Die meisten Wabenstrukturen, die im Flugzeugbau verwendet werden, haben Deckschichten aus Aluminium, Glasfaser, Kevlar® oder Kohlefaser. Kohlefaser-Deckschichten können nicht mit Aluminium-Wabenkernmaterial verwendet werden, da dies zu einer Korrosion des Aluminiums führt. Titan und Stahl werden für Spezialanwendungen in Hochtemperaturkonstruktionen verwendet. Die Deckblätter vieler Komponenten, wie Spoiler und Flugsteuerungen, sind sehr dünn – manchmal nur 3 oder 4 Lagen. Erfahrungsberichte haben gezeigt, dass diese Deckschichten keine gute Schlagfestigkeit aufweisen.

Kernmaterialien

Bienenwabe

Jedes Wabenmaterial bietet bestimmte Eigenschaften und hat spezifische Vorteile. [Figure 3] Das am häufigsten verwendete Kernmaterial für Flugzeugwabenstrukturen ist Aramidpapier (Nomex® oder Korex®). Fiberglas wird für Anwendungen mit höherer Festigkeit verwendet.

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Abbildung 3. Wabenkernmaterialien
  • Kraftpapier – relativ geringe Festigkeit, gute Isoliereigenschaften, ist in großen Mengen verfügbar und hat niedrige Kosten.
  • Thermoplaste – gute Isoliereigenschaften, gute Energieabsorption und/oder -umleitung, glatte Zellwände, Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit, sind umweltverträglich, ästhetisch ansprechend und relativ kostengünstig.
  • Aluminium – bestes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Energieabsorption, hat gute Wärmeübertragungseigenschaften, elektromagnetische Abschirmeigenschaften, hat glatte, dünne Zellwände, ist maschinell bearbeitbar und hat relativ niedrige Kosten.
  • Stahl – gute Wärmeübertragungseigenschaften, elektromagnetische Abschirmeigenschaften und hitzebeständig.
  • Spezialmetalle (Titan) – relativ hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, gute Wärmeübertragungseigenschaften, chemische Beständigkeit und Hitzebeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen.
  • Aramidpapier – schwer entflammbar, feuerhemmend, gute Isoliereigenschaften, geringe dielektrische Eigenschaften und gute Formbarkeit.
  • Glasfaser – maßgeschneiderte Schereigenschaften durch Layup, niedrige dielektrische Eigenschaften, gute Isoliereigenschaften und gute Formbarkeit.
  • Kohlenstoff – gute Dimensionsstabilität und Beibehaltung, Beibehaltung der Hochtemperatureigenschaften, hohe Steifigkeit, sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, maßschneiderbare Wärmeleitfähigkeit, relativ hoher Schermodul und sehr teuer.
  • Keramik – hitzebeständig bei sehr hohen Temperaturen, gute Isoliereigenschaften, ist in sehr kleinen Zellgrößen erhältlich und sehr teuer. [Figure 3]


Wabenkernzellen für Luft- und Raumfahrtanwendungen sind normalerweise sechseckig. Die Zellen werden hergestellt, indem gestapelte Bleche an speziellen Stellen verbunden werden. Die gestapelten Blätter werden zu Sechsecken erweitert. Die Richtung parallel zu den Blättern wird als Bandrichtung bezeichnet.

Der halbierte sechseckige Kern hat eine weitere Materialbahn, die über jedes Sechseck schneidet. Die zweigeteilte sechseckige Wabe ist steifer und stärker als der sechseckige Kern. Überexpandierter Kern wird hergestellt, indem die Bleche stärker expandiert werden, als zur Herstellung von Sechsecken erforderlich ist. Die Zellen des überdehnten Kerns sind rechteckig. Der überdehnte Kern ist senkrecht zur Bandrichtung flexibel und wird in Paneelen mit einfachen Kurven verwendet. Der glockenförmige Kern oder Flexicore hat gekrümmte Zellwände, die ihn in alle Richtungen flexibel machen. Der glockenförmige Kern wird in Paneelen mit komplexen Kurven verwendet.

Der Wabenkern ist mit verschiedenen Zellgrößen erhältlich. Kleine Größen bieten eine bessere Unterstützung für Sandwich-Deckblätter. Honeycomb ist auch in verschiedenen Dichten erhältlich. Ein Kern mit höherer Dichte ist stärker und steifer als ein Kern mit niedrigerer Dichte. [Figure 4]

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Abbildung 4. Wabendichte

Schaum

Schaumkerne werden bei selbstgebauten und leichteren Flugzeugen verwendet, um Flügelspitzen, Flugsteuerungen, Rumpfsektionen, Flügeln und Flügelrippen Stärke und Form zu verleihen. Schaumkerne werden üblicherweise nicht in kommerziellen Flugzeugen verwendet. Schäume sind typischerweise schwerer als Waben und nicht so stark. Als Kernmaterial kann eine Vielzahl von Schäumen verwendet werden, darunter:

  • Polystyrol (besser bekannt als Styropor) – Styropor in Flugzeugqualität mit einer dicht geschlossenen Zellstruktur und ohne Hohlräume zwischen den Zellen; hohe Druckfestigkeit und guter Widerstand gegen eindringendes Wasser; kann mit einem heißen Draht geschnitten werden, um Tragflächenformen herzustellen.
  • Phenolisch – sehr gute feuerbeständige Eigenschaften und kann eine sehr geringe Dichte, aber relativ geringe mechanische Eigenschaften haben.
  • Polyurethan – wird zur Herstellung des Rumpfes, der Flügelspitzen und anderer gekrümmter Teile von Kleinflugzeugen verwendet; relativ kostengünstig, kraftstoffbeständig und mit den meisten Klebstoffen kompatibel; Verwenden Sie zum Schneiden von Polyurethanschaum keinen heißen Draht. leicht konturiert mit einem großen Messer und einer Schleifausrüstung.
  • Polypropylen – zur Herstellung von Tragflächenformen; kann mit einem heißen Draht geschnitten werden; kompatibel mit den meisten Klebstoffen und Epoxidharzen; nicht für Polyesterharze geeignet, löst sich in Kraftstoffen und Lösungsmitteln.
  • Polyvinylchlorid (PVC) (Divinycell, Klegecell und Airex) – ein geschlossenzelliger Schaum mittlerer bis hoher Dichte mit hoher Druckfestigkeit, Haltbarkeit und ausgezeichneter Feuerbeständigkeit; kann zu zusammengesetzten Formen vakuumgeformt und unter Hitze gebogen werden; kompatibel mit Polyester, Vinylester und Epoxidharzen.
  • Polymethacrylimid (Rohacell) – ein geschlossenzelliger Schaum, der für leichte Sandwichkonstruktionen verwendet wird; hervorragende mechanische Eigenschaften, hohe Wärmeformbeständigkeit, gute Lösungsmittelbeständigkeit und hervorragende Kriechdruckfestigkeit; teurer als die anderen Schaumarten, hat aber bessere mechanische Eigenschaften.

Balsaholz

Balsa ist ein natürliches Holzprodukt mit länglichen geschlossenen Zellen; Es ist in einer Vielzahl von Qualitäten erhältlich, die den strukturellen, kosmetischen und physikalischen Eigenschaften entsprechen. Die Dichte von Balsaholz beträgt weniger als die Hälfte der Dichte herkömmlicher Holzprodukte. Balsa hat jedoch eine erheblich höhere Dichte als die anderen Arten von Strukturkernen.

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