Werkstoffe Sandwichkonstruktionen auf Polyurethanbasis

Polyurethan vereinfacht den Aufbau von Sandwichstrukturen. Das ist das Ergebnis eines Projekts, in dem die Machbarkeit großer Sandwichbauteile mit gesprühten Deckschichten aus Polyurethan ermittelt wurde. Der Sprühauftrag kann automatisiert werden. Die Klebstoffschicht entfällt.

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Auf der JEC Europe Show 2012 hat Bayer Materialscience Sandwichkonstruktionen mit Deckschichten aus Polyurethan (PUR) vorgestellt. Daraus wurde der Prototyp einer Motoreinhausung für Schienenfahrzeuge gefertigt. Das fertige Bauteil ist nicht nur um 35 % leichter, sondern auch um 30 % günstiger als konventionelle Einhausungen aus Aluminium und Stahl. Der Grund dafür liegt in der Fertigung. Auf der Messe wurde die Entwicklung, die im Rahmen des Projekts PUR-Train stattfand, mit dem JEC Innovation Award 2012 ausgezeichnet.

Alle Sandwichkomponenten werden fest miteinander verbunden

Für den Sandwichaufbau kommt das PUR-Sprühverfahren zur Anwendung. Es ermöglicht eine automatisierte, wirtschaftliche Herstellung von Sandwichbauteilen. Zuvor wird die Sandwichstruktur vorbereitet. Sie besteht aus einem Wabenkern, auf den beidseitig Glasfasermatten kommen. Danach werden beide Seiten mit dem PUR-System Baypreg von Bayer Materialscience besprüht, das zusätzlich geschnittene Glasfasern enthalten kann. Der noch feuchte Verbund aus Wabenkern, Glasfasermatten und Polyurethan kommt in ein Formwerkzeug. Dort wird er bevorzugt bei einer Temperatur von 130 °C zum Bauteil verpresst.

Während des Pressvorgangs reagiert das PUR-System. Es schäumt leicht in Richtung des Wabenkerns auf, sodass alle Sandwichkomponenten fest miteinander verbunden werden. Klebschichten zwischen dem leichten Kern und den dünnen, kraftaufnehmenden Deckschichten sind nicht erforderlich. Das Belastungsprinzip beim Biegen wird ohne zusätzliches Kleben umgesetzt. Der Kern übernimmt als Steg zwischen den beiden Deckschichten die Schubkraft. Außerdem hält er die auf Zug und Druck belasteten Oberflächen auf Abstand, wodurch sich ein hohes Flächenträgheitsmoment ergibt. In Verbindung mit dem hohen Elastizitätsmodul der Deckschichten erhält die Sandwichstruktur eine hohe Biegesteifigkeit.

Sandwichbauteile mit bis zu 4 m² Größe

Schon nach etwa 2 min wird das Sandwichbauteil entformt und entgratet. Die Oberflächenlackierung ist der letzte Schritt. Alternativ können die Oberflächen im Inmold-Coating-Verfahren beschichtet oder mit Kunststofffolien überzogen werden. Es lassen sich Sandwichbauteile mit bis zu 4 m² Größe herstellen – ein Rekord wie Bayer Materialscience berichtete. Im Rahmen des Projekts entstanden im Sprühpressverfahren gleich dreidimensionale Bauteile. Bisherige glasfaserverstärkte Sandwichstrukturen im Leichtbaubereich basieren auf Epoxid- oder Polyesterharzen und einem Hartschaumkern. Die Herstellung sei aufwändig.

Bei Schienenfahrzeugen befindet sich die Motoreinhausung zwischen Fahrgastzelle und Gleisen. Dort muss sie den Motor vor Steinschlag schützen. Außerdem werden hohe Anforderungen an die chemische Beständigkeit gestellt. So muss bei auslaufendem Öl ein Herabtropfen auf das Gleisbett verhindert werden. Hohe Formbeständigkeit und passgenaue Montage der Sandwichbauteile zur finalen Baugruppe sind daher Voraussetzung. Die größte Herausforderung liegt jedoch in der Einhaltung der europäischen Brandschutzvorschriften.

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