Material- und Prozesscharakterisierung zur Herstellung von Sandwichleichtbauteilen mit Papierwabenkern und thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten für die Anwendung im Fahrzeuginterieur

Abstract

Sandwichstrukturen mit Wabenkernen und faserverstärkten Kunststoffdeckschichten haben sich im Flugzeugbau aufgrund ihres Leichtbaupotenzials in zahlreichen Bauteilen etabliert. Entgegengesetzt hierzu konnten sich die Sandwichtechnologien des Flugzeugbaus im Automobilbau aufgrund der hohen Materialkosten und den erheblichen Bedarfsstückzahlen nicht durchsetzten. Unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen des Automobilbaus wird in der vorliegenden Arbeit ein neuartiger Sandwichverbund bestehend aus thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten und einem Papierwabenkern untersucht, wobei als Einsatzgebiet das Fahrzeuginterieur gewählt wurde. Zur Analyse des mechanischen Verhaltens der Papierwaben wurden deren mechanischen Eigenschaften durch Versuchsreihen und analytische Berechnungsmethoden untersucht. Unter Zuhilfenahme der experimentellen Ergebnisse sind Näherungsgleichungen - basierend auf Regressionsanalysen - zur verbesserten Vorhersage der mechanischen Papierwabenkennwerte formuliert worden. Mit dem Ziel, geformte Sandwichbauteile herzustellen, wurde mittels einer Modellvorstellung das Umformverhalten der Papierwaben in Abhängigkeit ihrer geometrischen Parameter analysiert. Zur Bestätigung der theoretischen Erkenntnisse wurden experimentelle Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass das Umformpotenzial z. B. durch erhöhte Papierwabenfeuchtigkeit positiv beeinflusst wird. Als Deckschichtmaterial wurde vorwiegend der Einsatz von Hybrid-Nadelvliesen betrachtet, wobei Glas- und Naturfasern als Verstärkungsmaterial der Polypropylenmatrix untersucht wurden. Mit dem Ziel das mechanische Verständnis für den Sandwichverbund zu fördern, wurden verschiedene Einflüsse durch quasi statische Versuchsreihen untersucht. Hierbei konnte insbesondere eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften durch eine Schmelzfolie zwischen der Papierwabe und den Deckschichten nachgewiesen werden. Basierend auf den experimentell gewonnenen Halbzeugkennwerten wurden zur Berechnung der Sandwichsteifigkeit ein analytischer und numerischer Ansatz vorgestellt. Zur industriellen Umsetzung der Bauteilfertigung wurden zum einen verschiedene Fertigungsvarianten und zum anderen unterschiedliche Werkzeugkonzepte präsentiert. Mit Hilfe der durchgeführten Reibschweißversuche konnte nachgewiesen werden, dass eine Verbindungsherstellung zwischen Sandwichbauteil und Kunststoffträger herstellbar ist. Mit Hilfe umgebungsbedingter Werkstoffprüfungen wurden das Brennverhalten des Sandwichverbundes und die mechanische Degradation bei hoher Luftfeuchtigkeit untersucht. Ebenso konnte durch die Betrachtung der thermischen Isolationseigenschaft der Vorteil des Sandwichverbundes im Vergleich zu konventionellen Verkleidungsmaterialien aufgezeigt werden. Die ökologische Relevanz der betrachteten Sandwichtechnologie wurde mit Hilfe einer Ökobilanz aufgezeigt. Für die stoffliche Wiederverwertung wurde ein Recyclingprozess durch Compoundierung des Sandwichverbundes zum Spritzgussgranulat durchgeführt und deren mechanische Eigenschaften ermittelt.

Sandwich structures with honeycomb core and fibre-reinforced cover layers are widely used in the aircraft industry because of their potential in lightweight components. A transfer and implementation of these sandwich technologies into automotive applications is challenging due to high materials costs as well as the large quantity requirement. In the present work, a novel sandwich structure, consisting of thermoplastic fibre-reinforced cover layers and a paper honeycomb, is analysed in consideration of the specific performance requirements of car interior parts. Experimental as well as analytical calculation methods were investigated to analyse the mechanical behaviour of the cellulose paper honeycombs. Experimental results helped in formulating the approximate equations - based on regression analysis - to improve the prediction of the mechanical characteristics of the honeycombs. To understand the manufacturability of formed sandwich components, the deformability behaviour of the honeycombs as a function of their geometric parameters was investigated. For validating the theoretical results, experimental sensitive analyses were executed. The series of experiments showed, that the shaping potential of the honeycombs can be influenced positively by the humidity content. Hybrid needle-punched non-wovens were predominantly considered as cover layer material, which contains glass and natural fibres as reinforcing materials, and polypropylene as matrix. The influences of various parameters on mechanical behaviour of the sandwich composite were examined by conducting quasistatic tests. A significant increase of the mechanical properties was observed through the experiments by adding a fusible foil layer between paper honeycomb and cover layer. Based on the material properties, generated in the experimental series, an analytical and a numerical approach were developed for calculating the sandwich stiffness. For industrial implementation of the component manufacturing, different manufacturing concepts and tool concepts are presented. With the help of friction welding tests it was proven, that a connection between sandwich part and plastic support bracket is producible. With the aid of material testing in environmental conditions, the combustion behaviour as well the mechanical degradation at high humidity were determined. The higher thermal insulation performance in comparison to conventional facing materials was observed during material tests. The ecological relevance of this sandwich technology is shown through a life cycle assessment. For material recycling, a recycling process by compounding the sandwich materials into injection moulding granulates was carried out and their mechanical characteristics was determined.