DE102022105673A1

DE102022105673A1 - Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements

Info

Publication number: DE102022105673A1
Application number: DE102022105673.2A
Authority: DE
Inventors: Julian Gregor Kuntz
Original assignee: PFW Aerospace GmbH
Current assignee: PFW Aerospace GmbH
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023170029A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements (50) in Form eines Rohrs (24) oder in Form einer Platte (26), wobei das Sandwichbauelement (50) einer Kaltseite (20) und einer Heißseite (22) ausgesetzt ist, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: Es erfolgt die Herstellung einer der Heißseite (22) zugewandten Isolationsschicht (54) aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) sowie eine Herstellung einer der Kaltseite (20) zugewandten Außenschicht (52) des Sandwichbauelements (50), welches einen Faserverbundwerkstoff (12) umfasst. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein derartiges Sandwichbauelement (50) sowie dessen Verwendung in einem Luftfahrzeug.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements in Form eines Rohrs oder in Form einer Platte, wobei das Sandwichbauelement einer Kaltseite und einer Heißseite ausgesetzt ist. Das erfindungsgemäße Sandwichbauelement kann als Heißgasleitung, als Auspuffleitung, als Schalldämpfer oder als Brandschutzwand in einem Luftfahrzeug, beispielsweise in einem Flugzeug, einem Land-, Wasser- oder Raumfahrzeug eingesetzt werden.
Stand der Technik
DE 10 2016 000 915 A1 bezieht sich auf einen Gründungsaufbau eines Bauwerks. Das Bauwerk umfasst eine lastabtragende Dämmung, wobei die Dämmung als Schaumglasschotter als Untergrund für ein Streifenfundament vorgesehen ist. Das Streifenfundament ist außer an der Stelle, an der lastabtragende Wände oder Stützen vorhanden sind, vollumfänglich von einer Schaumglasschotterschicht umgeben. Dadurch werden Wärmebrücken im Bereich der zur Außenwand gewandten Teile der Bodenplatte vermieden, wodurch Schimmelbefall und Feuchtigkeit in den Außenecken eines Bauwerks verhindert werden.
DE 11 2011 102 404 T5 bezieht sich auf Schaumglas mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und zugehörige Verfahren. Schaumglas kann natürliches Glas enthalten, wobei das Schaumglas mehr als 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases enthält und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen 4□x 10^-6 ppm/°C und 6 × 10^-6 ppm/°C aufweist. Eine Zusammensetzung zur Herstellung des Schaumglases kann natürliches Glas, das mindestens 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, enthält, Natriumcarbonat, das weniger als 10 %, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, ausmacht und Borsäure, die mindestens 5 %, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, ausmacht, enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung von Schaumglas kann das Mischen von natürlichem Glas mit Bor zur Bildung eines Gemischs, das Mahlen und das Schmelzen des Gemischs bei einer Temperatur von mindestens 900 °C und das Abkühlenlassen des geschmolzenen Gemischs umfassen, so dass das Schaumglas mindestens 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases, und mindestens 5 % Boroxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases, enthält.
AT 521 214 B1 bezieht sich auf die Formung von Glasschaum zu Halbzeugen mit Faserverbund. Es wird ein Faserverbundhalbzeug vorgeschlagen, aufweisend eine untere und eine obere Deckschicht mit Fasern, wobei die untere Deckschicht parallel zur oberen Deckschicht angeordnet ist. Zwischen der unteren und der oberen Deckschicht sind elipsoidförmige Glasschaumelemente in zumindest zwei parallelen Ebenen angeordnet, wobei in jeder Ebene die Glasschaumelemente in einem kartesischen Gitter angeordnet sind und die Gitterpunkte zweier benachbarter Parallelebenen in Richtung der Ebenen derart zueinander versetzt sind, dass die kartesischen Gitterpunkte in der einen der beiden benachbarten Ebenen, zwischen den kartesischen Gitterpunkten in der anderen der beiden benachbarten Ebenen angeordnet sind, wobei zwischen den elipsoidförmigen Glasschaumelementen Fasern und Bindematerial angeordnet sind. Die elipsoidförmigen Elemente werden separat als fertige Glasschaumelemente hergestellt und mittels eines anderen Werkstoffs mit Deckschichten verklebt. Die Glasschaumelemente weisen an deren Oberflächen Rippen auf, wobei die Rippen der Glasschaumelemente mit Rippen von in benachbarten Ebenen angeordneten Glasschaumelementen ineinandergreifen.
DE 103 41 158 A1 bezieht sich auf ein Glasschaum enthaltendes Bauelement zur Schalldämpfung und Schalldämmung. Das Glasschaum enthaltende Bauteil zur Schalldämpfung und/oder Schalldämmung schließt zumindest an Teilen des Bauteils ein Schutzmaterial an. Bevorzugt weist das Glasschaumbauteil eine erste Seite, eine zweite Seite und eine die erste und die zweite Seite verbindende Berandung auf. Das Schutzmaterial schließt bevorzugt zumindest an Teilen der Berandung und an einen berandungsnahen Bereich der ersten und der zweiten Seite des Glasschaumbauteils an. Des Weiteren werden Ständerwände, Schalldämpferkulissen und gasführende Kanäle offenbart, die mit Glasschaumbauteilen zur Schalldämpfung und/oder Schalldämmung ausgestattet sind.
Bisherige Konzepte für isolierte Heißgasleitungen sind im Allgemeinen derart aufgebaut, dass sich auf der heißen Innenseite ein gasdichtes Metallrohr befindet, welches meist von Dämmmaterial umgeben ist, wobei das Dämmmaterial im Allgemeinen nicht luftdicht und meist auch nicht dimensionsstabil ist, so zum Beispiel Dämmwolle. Im Anlagenbau, jedoch nicht im Flugzeugbau, existieren Rohrhalbschalen aus Schaumglas, die außen auf ein luftdichtes Metallrohr als Außendämmung aufgebracht werden, wobei die Fügestelle der beiden Halbschalen geklebt ist, nicht luftdicht zu sein braucht und auch keinen Innendruck aufnimmt, da dieser einzig und allein vom Innenrohr getragen wird.
Im Flugzeugbau sind derartige Innenrohre für Heißgas derzeit oft aus Titan gefertigt, um die Gewichts-, Temperatur- und Korrosionsanforderungen einzuhalten und daher relativ kostspielig. Alternativ sind derartige Rohre aus Stahllegierungen gefertigt, was jedoch im Flugzeugbau entscheidende Gewichtsnachteile mit sich bringt.
Eine Alternative, um Kosten und Gewicht einzusparen, ist, derartige Heißgasleitungen aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen, wobei aber die hohen Temperaturen und die Erzeugung einer luftdichten Hülle eine Herausforderung darstellen. Weiterhin sind Sandwichkonstruktionen bekannt, bei denen ein Schaumwerkstoff von Deckschichten aus Metall oder Faserverbundwerkstoff eingerahmt ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Luftfahrtanwendungen, eine Leitungs- beziehungsweise Plattenanordnung bereitzustellen, die hinsichtlich des Gewichts sehr günstig ist und eine luftundurchlässige Dämmschicht verwirklicht, wobei gleichzeitig Beständigkeit gegen hohe Temperaturen gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements vorgeschlagen, welches in Form eines Rohrs oder in Form einer Platte gefertigt wird, wobei das Sandwichbauelement einer Kaltseite und einer Heißseite ausgesetzt ist, und wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Herstellung einer der Heißseite zugewandten Isolationsschicht, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff enthält und
b) Herstellung einer der Kaltseite zugewandten Außenschicht des Sandwichbauelements, welche einen Faserverbundwerkstoff umfasst.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lassen sich Sandwichbauelemente herstellen, die hohen und höchsten Temperaturen widerstehen, wobei gleichzeitig durch Einsatz eines Faserverbundwerkstoffs günstige Materialien eingesetzt werden können, die zudem ein äußerst geringes Gewicht aufweisen, was für Luftfahrtanwendungen sehr vorteilhaft ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht mit einer Schicht versehen werden, die einen Faserverbundwerkstoff mit einem Keramik-, Glaskeramik- oder Glasmatrixmaterial enthält. Durch diese optional vorsehbare weitere Schicht auf der der Heißseite zugewandten Isolationsschicht lässt sich eine weitere Erhöhung der Temperaturbeständigkeit erreichen sowie eine verbesserte mechanische Widerstandsfähigkeit der Oberfläche auf der Heißgasseite.
In vorteilhafter Weise wird die gemäß Verfahrensschritt a) der Heißseite zugewandte Isolationsschicht, die aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff besteht, aus einem Blockmaterial oder mithilfe eines Vorformlings, der zumindest ein Glasgranulat und ein Aufschäummittel umfasst, gefertigt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht durch lokale Erzeugung hoher Temperaturen geglättet. Dadurch können beispielsweise aufgebrochene Glasporen bei lokal einwirkenden hohen Temperaturen geglättet werden, so dass sich eine äußerst glatte, strömungstechnisch günstige Innenseite der Isolationsschicht ergibt. Durch das damit erfolgte Schließen der Glasschaumoberfläche wird zudem ein Eindringen von Wasser in Poren und damit eine Schädigung bei Frost verhindert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird das Sandwichbauelement während der Durchführung der Verfahrensschritte a) und b) in einer geschlossenen Form gehalten, in der das Glasgranulat geschmolzen und anschließend unter Wirkung des Aufschäummittels aufgeschäumt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird in der geschlossenen Form das Fasermaterial, aus dem die Deckschicht oder die Deckschichten geformt werden, als Vorformling in Form eines Faserformlings oder eines porösen faserkeramischen Materials mit der Schmelze des Glasgranulats durchtränkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der gasdichte, hochtemperaturbeständige Glasschaumwerkstoff bei dessen Herstellung mit Fasermaterial, insbesondere Karbon-, Metall-, Basalt- oder Keramikfasermaterial oder auch besonders hochtemperaturbeständigem Glasfasermaterial versetzt, wobei das Fasermaterial sowohl als Kurzfaser als auch als Langfaser vorliegen kann.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird das Fasermaterial - als Kurz- oder Langfaser oder als Endlosfaser vorliegend - in oder um das Glasgranulat vor dessen Aufschmelzen oder Aufschäumen eingebracht oder als gewickelter Vorformling für spätere Deckschichten oder als Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht-/Gewebedeckschicht auf eine oder mehrere Oberflächen, oder als Abstandsgewirk eingebracht, die während des Schmelz- und Aufschäumprozesses des Glasgranulats von diesem durchtränkt werden. In weiterer Ausgestaltung wird zum Durchtränken der Faserzwischenräume mit Glasmatrix ein Glaswerkstoff verwendet, der bei der Prozesstemperatur eine besonders niedrige Viskosität erreicht, beispielsweise ein Glaslot. Insbesondere wird dieser Glaswerkstoff mit besonders niedriger Viskosität nur in den Bereichen der besonders dicht gepackten Faserdeckschichten (Heiß- und/oder Kaltseite) eingesetzt und im Bereich des Glasschaums ein anderer Glaswerkstoff, der gegebenenfalls auch eine höhere Schmelztemperatur aufweist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die für die Ablage der Deckschichten verwendeten Fasern (z. B. Rovings) bereits beim Herstellen des beispielsweise gewickelten Vorformlings mit einem Glaswerkstoff beziehungsweise einem Glaslot vorimprägniert, so zum Beispiel in Form eines Prepreg Tapes, die in einem vorangegangenen Prozess imprägniert wurden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden auf einer Außenseite der Isolationsschicht, die den gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff enthält, Luftkanäle eingebracht, die nach Auflaminieren der Außenschicht luftdurchlässig bleiben und im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht durch diese austretende Luft zu diskreten Luftauslassöffnungen leiten, die den Temperatursensoren zugeordnet werden. Dabei können bereits bei der Herstellung des Sandwichbauelements für ein Leckagedetektionssystem vorbereitende Maßnahmen getroffen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden in die die Isolationsschicht überdeckende Außenschicht aus Faserwerkstoff faseroptische Temperatursensoren einlaminiert. Auch dadurch können in alternativer Vorgehensweise bereits Vorkehrungen für eine spätere Leckagedetektionsvorrichtung getroffen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden bei der Wärmebehandlung der der Heißseite zugewandten Isolationsschicht Stege aufgebrochener Glasblasen des Glasgranulats aufgeschmolzen, die sich durch Oberflächenspannung zu einer glatten Oberfläche zusammenziehen, so dass die der beispielsweise heißen Luftströmung zugewandte Innenseite der Isolationsschicht wirkungsvoll geglättet werden kann und sich eine reibungsarme Strömung einstellt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Wärmebehandlung auch an Stirnseiten des Sandwichbauelements durchgeführt, für den Fall, dass dieses als Rohr gefertigt wird, um glatte Oberflächen zur Abdichtung eines Verbindungsstoßes zweier miteinander zu verbindender erfindungsgemäß vorgeschlagener Sandwichbauelemente, ausgeführt als Rohre, zu erhalten.
In vorteilhafter Weise wird der Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix auf die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht auflaminiert, anschließend eine Temperaturbehandlung des Laminats und der Isolationsschicht zur gemeinsamen Aushärtung oder Pyrolyse der keramischen Matrix durchgeführt. Dadurch lässt sich ein gemeinsamer Fertigungsschritt erreichen. Des Weiteren ist der Verbund aus Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix und der Isolationsschicht äußerst wirkungsvoll.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine vorgefertigte Schicht des Fasermaterials mit keramischer, glaskeramischer oder glasartiger anorganischer Matrix mittels eines Lötprozesses, so zum Beispiel unter Verwendung eines Glaslots (d. h. eines Glases mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der des Schaumglases) auf die der Heißseite zugewandte, gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht aufgelötet werden. Gegebenenfalls kann dieser Lötprozess auch auf beiden Seiten, d. h. auf der Heißseite und auf der Kaltseite angewendet werden, zum Beispiel wenn beides gleichzeitig in einem Temperaturbehandlungsprozess ablaufen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine vorgefertigte Schicht des Faserverbundwerkstoffs mit keramischer Matrix mittels eines Klebeprozesses unter Verwendung eines hochtemperaturbeständigen Klebstoffs auf die der Heißseite zugewandte, gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht aufgeklebt werden. Bei dieser Vorgehensweise kann die Hochtemperaturbehandlung zwischen dem Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix einerseits und der Isolationsschicht eingespart werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der Faserverbundwerkstoff auf der Kaltseite als Außenschicht mittels Duroplast-Prepreg-basierter Verfahren, Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren oder Thermoplast-Prepreg-basierter Verfahren, insbesondere TP-AFP-Verfahren aufgebracht.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Sandwichbauelement in Form eines Rohrs oder einer Platte, welches einer Kaltseite und einer Heißseite ausgesetzt ist, wobei das Sandwichbauelement zumindest zweischichtig ausgebildet ist und eine der Heißseite zugewandte Isolationsschicht umfasst, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff umfasst sowie eine der Kaltseite zugewandte Außenschicht, die einen Faserverbundwerkstoff enthält.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement hat einerseits ein sehr geringes Gewicht, was für Luftfahrtanwendungen äußerst vorteilhaft ist, und zeichnet sich andererseits dadurch aus, dass eine luftundurchlässige Dämmschicht, nämlich die Isolationsschicht aus dem Glasschaumwerkstoff vorliegt, die gleichzeitig hohen Temperaturen standhält.
Das Sandwichbauelement kann sowohl in Form eines Rohrs als auch in Form einer Platte, beispielsweise als Paneel ausgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements sieht vor, dass die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff umfasst, mit einer Schicht versehen ist, die einen Faserverbundwerkstoff mit einem Keramik-, Glaskeramik- oder Glasmatrixmaterial enthält. Dadurch kann ein über ein zweischichtig aufgebautes Sandwichbauelement hinausgehendes dreischichtiges Sandwichbauelement bereitgestellt werden, welches hinsichtlich seiner Temperaturbeständigkeit und mechanischer Festigkeit und seiner Dichtheitsanforderungen nochmals verbessert ist.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Sandwichbauelements in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug, als Heißgasleitung, Zapfluft- oder Auspuffleitung oder als Triebwerks- oder APU-Schalldämpfer. Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements ist dessen Verwendung als Einhausung von Aggregaten, die entweder im Betrieb regulär heiß werden und/oder im Fall eines Fehlers/Versagens oder bei Feuer potenziell heiß werden können, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle oder Batterien oder Niedertemperaturenergiewandlern oder weiterer Abwärme-produzierender Komponenten eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Des Weiteren kann das Sandwichbauelement als Brandschutzbarriere oder dergleichen in einem Land-, Wasser oder auch in einem Raumfahrzeug verwendet werden.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eines Sandwichbauelements, insbesondere gefertigt gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, umfasst dieses einen Mantel aus hochfestem Faserverbundwerkstoff sowie eine Isolierschicht aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff. Die Erfindung stellt eine Funktionalität für ein Sandwichbauelement dar, indem dieses einerseits eine luftundurchlässig ausgebildete Dämmschicht umfasst, die andererseits gleichzeitig hohen Temperaturen standhält. Bisher war es erforderlich, beispielsweise bei Bleed-Air-Rohren bei Luftfahrzeugen, die Luftdichtheit durch andere Schichten beziehungsweise Komponenten sicherzustellen, da die verfügbaren, hochtemperaturbeständigen Isolationsmaterialien unzureichend luftdicht sind.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Verwendung von Schäumen auch für hohe Temperaturen verwirklicht, nun jedoch mit Glas statt Polymerwerkstoffen als Schaumwerkstoff. Gleichzeitig können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung Konstruktionen mit hoher thermischer Dämmwirkung erreicht werden, die dabei, im Gegensatz zu oft verwendeten weichen Mineral- oder Glaswollmatten, eine erhöhte Formstabilität aufweisen und damit auf leichtere Art und Weise konstruktiv an Strukturbauteile angebunden werden können.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann des Weiteren die Rauigkeit mechanisch bearbeiteter Oberflächen des Glasschaumwerkstoffs verbessert werden, da die Anzahl offener Glasschaumwerkstoffporen an der Oberfläche, insbesondere an der Innenseite der Isolationsschicht erheblich verringert und somit die Beständigkeit dieser Oberfläche verbessert wird. Des Weiteren wird durch die Glättung der Innenseite der Isolationsschicht der Durchflusswiderstand für Medien reduziert und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit für das Ablösen von Oberflächenpartikeln der Isolationsschicht verringert.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich ein Sandwichbauelement bereitstellen, welches insbesondere eine Heißgasleitung, zum Beispiel eine Zapfluft- oder Auspuffleitung oder einen Triebwerks- oder APU-Schalldämpfer in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug, darstellt, wobei das vorgeschlagene Sandwichbauelement einen äußeren Mantel aus einem Faserverbundmaterial umfasst und eine innenliegende Isolationsschicht aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff, wie beispielsweise Schaumglas, umfasst. Optional kann dabei die Innenseite der Isolationsschicht mit einem weiteren hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere einem Faserverbundwerkstoff mit keramischer, glaskeramischer oder glasartiger, anorganischer Matrix überdeckt sein. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement kann sowohl in Form eines Rohrs als auch aufgeklappt als flaches Paneel vorliegen, welches zum Beispiel als Hitze- oder als Feuerschutzwand dient.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine bisher notwendige, weitere äußere Hülle zur Leckdetektion bei Zapfluftleitungen entweder auf eine dünne Folienhülle ohne weitere Isolierung reduziert oder ganz eingespart werden, indem auf der Außenschicht der Isolationsschicht Luftkanäle eingebracht werden, die zu diskreten, definierten Luftauslasspunkten des in Rohrform gefertigten Sandwichbauelements führen, an denen sich wiederum Temperatursensoren befinden. Diese Temperatursensoren können alternativ auch in das Sandwichbauelement in Form von Folien, Fasern oder Drähten einlaminiert werden.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann beispielsweise bei einem in Rohrform vorliegenden erfindungsgemäßen Sandwichbauelement die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff die Zugbelastung aufnehmen, die zum Beispiel durch Innendruck im Rohr entstehen kann und nicht wie bei bisherigen Anwendungen das Innenrohr. Der gasdichte, hochtemperaturbeständige Schaumglaswerkstoff hingegen übernimmt außer der Dämmungsfunktion die Aufgabe, die Dichtheit des rohrförmig ausgebildeten Sandwichbauelements sicherzustellen, so dass die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff diese Aufgabe nicht übernehmen muss. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass für die Außenhülle, d. h. die Außenschicht Materialien verwendet werden können, die eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen als dies für eine Innenhülle im Kontakt mit dem Heißgas der Fall wäre. Da somit eine wesentlich größere Auswahl an Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung steht, können dafür auch Werkstoffe mit besseren mechanischen Eigenschaften und/oder geringerem Preis beziehungsweise Verarbeitungskosten verwendet werden. Der als Isolationsschicht eingesetzte Schaumglaswerkstoff hingegen hat den Vorteil, dass dieser kaum ausgast und damit das heiße Medium nicht mit Dämpfen verunreinigt wird.
Zur Erhöhung der Festigkeit der Isolationsschicht kann bereits bei der Herstellung des Glasgranulats und/oder des Glasschaumwerkstoffs Fasermaterial in Gestalt von Karbon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierung), Basalt-, Keramikfasern oder auch besonders hochtemperaturbeständigen Glasfasern eingebracht werden, um die Festigkeit und Schadenstoleranz dieses Werkstoffs zu erhöhen. Das Fasermaterial, als Kurz-, Lang- oder sogenannte Endlosfaser vorliegend, dient als Versteifung und Rissstopper im Glasschaumwerkstoff. Das Fasermaterial kann in das Glasgranulat vor dessen Aufschmelzen beziehungsweise Aufschäumen eingemischt werden oder als gewickelter Vorformling (für spätere Deckschichten) oder Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht- oder Gewebedeckschicht oder Abstandsgewirk, mit eingelegt werden. Diese Fasermaterialien können dann während des Schmelz- und Aufschäumprozesses des Glasgranulats von diesem angebunden und durchtränkt werden. Um das Durchtränken der Faserzwischenräume mit Glasmatrix zu erleichtern, kann gegebenenfalls ein Glaswerkstoff verwendet werden, der bei der Prozesstemperatur eine besonders niedrige Viskosität erreicht, beispielsweise ein Glaslot. Weiterhin kann dieser Glaswerkstoff mit besonders niedriger Viskosität auch nur in den Bereichen der Faserdeckschichten (Heiß- und/oder Kaltseite) eingesetzt werden und im Bereich des Glasschaums ein anderer Glaswerkstoff, der gegebenenfalls auch eine höhere Schmelztemperatur aufweist.
Im Fall einer Schlagbeanspruchung des erfindungsgemäßen Sandwichbauteilelements von außen, insbesondere auf die aus Faserverbundwerkstoff gefertigte Au-ßenschicht ist diese hinsichtlich ihrer mechanischen Restfestigkeit auszulegen. Das Risiko, dass selbst bei geringer Beanspruchung des in Rohrform gefertigten erfindungsgemäßen Sandwichbauelements dieses undicht wird, ist jedoch gering, da sich unter diesem die aus Schaumwerkstoff gefertigte Isolationsschicht befindet. Da diese viele einzelne Zellen umfasst, wobei jede für sich genommen gasdicht ist, ist selbst dann noch mit einer Gasdichtheit zu rechnen, wenn einige der äußeren Zellen beschädigt wären. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Sicherheitsgewinn, da kleine Schlagbeanspruchungen oft unterhalb des sichtbaren Bereichs liegen und daher nicht detektiert werden, die Konstruktion diesen kleinen Schäden gegenüber jedoch tolerant ist.
Durch das Einbringen von Luftkanälen auf der Außenseite der Isolationsschicht können Vorarbeiten für eine Leckdetektionsvorrichtung getroffen werden. Wird bei den weiteren Fertigungsschritten sichergestellt, dass die Luftkanäle auch nach dem Auflaminieren der Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff luftdurchlässig bleiben, leiten sie im Fall eines Lecks in der inneren, d. h. der Isolationsschicht austretende Luft zu in der Außenschicht befindlichen, diskreten Luftauslasspunkten, vor welchen Temperatursensoren platziert werden. Dadurch kann eine zusätzliche, nicht-strukturelle Luftführungshülle eingespart werden.
Alternativ dazu kann eine Leckdetektionseinrichtung durch das Einlaminieren faseroptischer Sensoren in die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff dargestellt werden. Wenn im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht und daraufhin ausströmende Luft diese eine lokale Temperaturerhöhung in der Außenschicht verursacht, kann das Leck detektiert werden.
Eine weitere Möglichkeit einer Leckdetektionsvorrichtung ist dadurch gegeben, dass die feste lasttragende Außenschicht mit einer einfachen Luftleithülle aus Folienmaterial umhüllt wird, die im Fehlerfall ausströmende Luft zu bestimmten Öffnungen mit Temperatursensoren leitet. Da diese aus Folienmaterial gebildete Außenhülle nun keine Dämmfunktion übernimmt, ist sie deutlich einfacher herzustellen sowie zu montieren. Über eine Folienreserve in Form von Falten oder einer Prägung kann sichergestellt werden, dass im Fall von ausströmender Luft zwischen Außenhülle und Folie genügend Abstand vorhanden ist oder sich durch den Differenzdruck bildet, damit diese Luft zu diskreten Öffnungen in der Folie mit Leckdetektionssensoren strömen kann.
In vorteilhafter Weise ist die Innenseite der Isolationsschicht als glatte Oberfläche ausgeführt, was durch eine Wärmebehandlung erreicht werden kann, wobei Stege aufgebrochener Glasblasen aufschmelzen und sich die Oberfläche des geschmolzenen Glases zu einer glatten Fläche zusammenzieht. Hierbei nimmt das Volumen des Glasschaumwerkstoffs lokal ab, so dass ein gegebenenfalls mechanisch bearbeiteter Rohling an den zu behandelnden Seiten mit entsprechendem Übermaß herzustellen ist. Ferner ist die Oberflächenhitzebehandlung so zu dosieren, dass sich nach der Behandlung und dem Zusammenschmelzen die Sollgeometrie ergibt. Die gewünschte Schichtstärke des oberflächlich dann nicht mehr porösen, sondern monolithischen Glasschaumwerkstoffs kann dadurch und durch die Größe des vorgehaltenen Übermaßes beeinflusst werden. Die Hitzebehandlung kann beispielsweise mittels eines Lasers oder mit einem auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierenden Gerät, ähnlich wie bei Schweiß- oder Glasbläserarbeiten, durchgeführt werden. In vorteilhafter Weise kann die Hitzebehandlung an Stirnseiten von Rohrenden durchgeführt werden, um eine glatte Oberfläche zum Abdichten des Verbindungsstoßes zu erreichen. Um an den Stirnseiten der Rohrenden nicht nur eine glatte, sondern auch ebene beziehungsweise geometrisch genau zu einer Dichtung passende Oberfläche zu erzeugen, kann auch die Verwendung eines heißen Stempelwerkzeugs oder ähnlichem zur Durchführung der Hitzebehandlung dienen. Um schädliche Zugspannungen im Werkstück zu vermeiden, kann es auch sinnvoll sein, entweder den Rohling insgesamt bei dessen Oberflächenbearbeitung auf ein höheres Temperaturniveau aufzuheizen und/oder im Anschluss an die Oberflächenbearbeitung einer Wärmebehandlung, ähnlich wie bei Glas-Temperprozessen durchzuführen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement kann zur Einhausung heißer Aggregate, wie zum Beispiel eine APU (Auxiliary Power Unit) eines Flugzeugs, zur Zuluft- oder Abgasführung genutzt werden oder zur Einhausung zugehöriger Schalldämpfer, die auch heiß werden, eingesetzt werden. Die Luftdichtheit ist hier eher vernachlässigbar, so dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelemente auch geteilt hergestellt werden können. Diese weisen, im Gegensatz zu Dämmwolle, eine feste Struktur auf, und es liegt infolgedessen auf beiden Seiten eine feste Anschlussschicht vor, die für die Befestigung von Elementen innen oder für die Anbindung an die Struktur außen Vorteile bietet. So müssen beispielsweise weniger Strukturelemente durch die Dämmschicht hindurchgeführt werden, was Wärmebrücken reduziert.
Ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement mit Faserkeramik auf einer Seite, einer Isolationsschicht aus Glasschaumwerkstoff in der Mitte und Faserverbundwerkstoff als Außenschicht kann zur Einhausung weiterer heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer Festoxidbrennstoffzelle, oder zur sicherheitserhöhenden Einhausung von potentiell heiß werdenden Aggregaten, wie zum Beispiel Batterien, Niedertemperaturbrennstoffzellen und anderen Energiewandlern, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauteile können auch als Strukturelemente eingesetzt werden, zum Beispiel als Hitzeschutzschilde von au-ßen dienen, so zum Beispiel bei Raumfahrzeugen für den atmosphärischen Wiedereintritt oder bei Überschallflugzeugen. In diesem Fall liegt die faserkeramische Deckschicht an der Außenseite und die aus Faserverbundwerkstoff ausgebildete Außenschicht auf der Innenseite des Flugkörpers.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigen

1 ein erfindungsgemäßes Sandwichbauelement, ausgeführt als Rohr mit einer Isolationsschicht aus Glasschaumwerkstoff und einer Au-ßenschicht aus Faserverbundwerkstoff,
2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sandwichbauelements mit einer zusätzlichen Schicht eines Faserverbundwerkstoffs mit keramischer oder glasartiger, anorganischer Matrix auf der Innenseite der Isolationsschicht,
3 eine schematisch angedeutete Vorrichtung zur lokalen Temperaturerhöhung zur Glättung der Innenseite der Isolationsschicht,
4 ein als Platte oder Paneel ausgebildetes, erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement,
5 einen Querschnitt durch ein rohrförmig gestaltetes, erfindungsgemä-ßes Sandwichbauelement mit An- beziehungsweise Einbauten auf Kaltseite und Heißseite,
6a - 6d einen Herstellungsprozess eines in Rohrform ausgebildeten Sandwichbauelements,
7 ein Sandwichbauelement, ausgebildet als Rohr,
8 ein Sandwichbauelement, ebenfalls ausgebildet als Rohr, von einer Luftleithülle umschlossen und
9 und 9.1 ein Sandwichbauelement, ebenfalls ausgebildet als Rohr, mit in die Außenschicht einlaminierten, faseroptischen Sensoren.

Ausführungsvarianten der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt ein als Rohr 24 ausgebildetes, erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement 50.
Der Darstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 in Form eines Rohrs 24 ausgeführt ist. Gemäß der Darstellung in 1 ist das Sandwichbauelement 50 einer Kaltseite 20 und einer Heißseite 22 ausgesetzt. Bei der Kaltseite 20 kann es sich beispielsweise um die Umgebung handeln, wo Umgebungstemperatur herrscht, während auf der Heißseite 22 der Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 beispielsweise von Heißluft oder einem anderen Heißgas durchströmt ist. Mithin herrschen im Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 höhere Temperaturen als auf dessen Außenseite, der Kaltseite 20.
Das Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 enthält eine umliegende Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Des Weiteren umfasst das als Rohr 24 ausgeführte Sandwichbauelement 50 gemäß 1 eine Außenschicht 52, die als Faserverbundmaterial ausgeführt ist. In der Ausführungsvariante gemäß 1 ist an der der Heißseite 22 zuweisenden Innenseite der Isolationsschicht 54 eine Glasschicht 14 ausgebildet, welche die Oberfläche des gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoffs 10 bildet, der den Strömungsquerschnitt des Rohrs 24, d. h. dessen Hohlraum begrenzt.
2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 50, welches gemäß 2 ebenfalls als Rohr 24 ausgeführt ist. Das Sandwichbauelement 50 umfasst eine Außenschicht 52, die einen Faserverbundwerkstoff 12 umfasst. Die Außenschicht 52 umschließt besagte Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Auf dessen Glasschicht 14 ist eine weitere Schicht in Form eines Faserverbundmaterials 16 mit beispielsweise keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix aufgetragen, eingeklebt, aufgelötet oder auflaminiert.
Während gemäß 1 das als Rohr 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 an seiner Innenseite, die den Strömungsquerschnitt begrenzt, und der Heißseite 22 ausgesetzt ist, eine Glasschicht 14 als Oberfläche der Isolationsschicht 54 aufweist, ist in der Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 ein Sandwichbauelement 50 dargestellt, welches höheren Temperaturen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann. Für den Fall, dass die zu erwartenden Belastungen an der für hohe Temperaturen ausgelegten Seite des Sandwichbauelements 50 derart sind, dass sie nicht von der Isolationsschicht 54 alleine beziehungsweise einer nach Oberflächenbehandlung vorliegenden Glasschicht alleine aufgenommen werden können, kann mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50 faserverstärkt werden. Um eine Sandwichkonstruktion mit Glasschaumwerkstoff 10 und beidseitiger Faserverstärkung zu erhalten, wird auf der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54, d. h. auf der Glasschicht 14 eine Schicht aus Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch direktes Auflaminieren auf die Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst, erfolgen. Anschließend erfolgt eine Temperaturbehandlung der auflaminierten Schicht und des Glasschaumwerkstoffs 10 gemeinsam zur Konsolidierung oder Aushärtung beziehungsweise zur Pyrolyse des Faserverbundmaterials 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix, falls die Temperaturbeständigkeit des Schaumglaswerkstoffs 10 hoch genug ist für den für die Aushärtung notwendigen Prozess. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine bereits zuvor separat hergestellte Schicht aus Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix mittels eines Klebeprozesses oder eines Glaslotprozesses auf die Glasschicht 14 der Isolationsschicht 54 aufzubringen, wobei dann ein ebenfalls hochtemperaturbeständiger Klebstoff oder ein Glaslot zum Einsatz kommen kann.
In einer nicht dargestellten Variation dieses Ausführungsbeispiels wird auf die Glasschicht 14 verzichtet, und auf der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54 wird direkt auf die Oberfläche des Glasschaumwerkstoffs 10 die Schicht aus Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix aufgebracht.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine Wärmebehandlung der der Heißseite 22 zuweisenden Glasschicht 14 des Glasschaumwerkstoffs 10, welcher die Isolationsschicht 54 bildet, zu entnehmen.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass eine Vorrichtung 18 zur lokalen Erzeugung hoher Temperaturen zum oberflächlichen Aufschmelzen des Glasschaumwerkstoffs 10 zum Einsatz kommt. Bei der Vorrichtung 18 kann es sich beispielsweise um einen Laser oder um ein, auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierendes Gerät, ähnlich wie bei Schweiß- und Glasbläserarbeiten, handeln. Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass die Vorrichtung 18 in eine Vorschubrichtung 92 entlang der Glasschicht 14 des Glasschaumwerkstoffs 10 bewegt wird. Dabei schmilzt der Außenbereich des Glasschaumwerkstoffs 10, welcher der Hitzebehandlung ausgesetzt ist, zusammen, eventuell verbliebene offene Glasporen schließen sich und aufgrund der Oberflächenspannung stellt sich ein Schwund der Isolationsschicht 54, d. h. des Glasschaumwerkstoffs 10 von einem Übermaß 96 auf ein Sollmaß 98 ein. Neben der Reduktion der Dicke der Isolationsschicht 54 vom Übermaß 96 auf das Sollmaß 98 stellt sich an der Glasschicht 14 ein sehr glatter Zustand ein, da die offenen Glasporen geschlossen werden und sich aufgrund der Oberflächenspannung eine sehr glatte Innenseite des die Isolationsschicht 54 darstellenden Glasschaumwerkstoffs 10 bildet, welche der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54 zuweist.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 90 hervor, welches in diesem Fall als flache Platte oder Paneel ausgeführt ist. In der in 4 dargestellten Ausführungsvariante umfasst das Sandwichbauelement 90 die Isolationsschicht 54, die den gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Auf der der Heißseite 22 zuweisenden Seite ist die Isolationsschicht 54 des Sandwichbauelements 90 mit dem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix versehen, während auf der Kaltseite 20 der Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 angeordnet ist, welche aus einem sehr leichten und somit für den Luftfahrzeugbau günstige Gewichtseigenschaften aufweisenden Faserverbundwerkstoff 12 gefertigt ist.
Gemäß der Ausführungsvariante in 4 kann das Sandwichbauelement 90 auch als Hitze- oder Feuerschutzwand dienen.
5 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 50, welches in einem variablen Querschnitt ausgeführt ist. Das in 5 im Schnitt dargestellte, ebenfalls in Form eines Rohrs 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 weist einen variablen Querschnitt auf. Die Heißseite 22 wird beispielsweise durch den Strömungsquerschnitt des mit variablem Querschnitt ausgebildeten Rohrs 24 gebildet, der beispielsweise von einem Heißluftstrom durchströmt wird. An das gestrichelt dargestellte Rohr 24 grenzen Resonatorkammern 25 an, die zur Schalldämpfung dienen. Das Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 umfasst die Isolationsschicht 54, gebildet aus dem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10, ferner den die Außenschicht 52 bildenden Faserverbundwerkstoff 12 sowie der Heißseite 22 zugewandt das Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix, d. h. das Sandwichbauelement ist 50 in diesem Ausführungsbeispiel dreischichtig ausgebildet.
Aus der Darstellung gemäß 5 ergibt sich, dass das Sandwichbauelement 50 in dieser Ausführungsvariante beispielsweise über Anbauteile 30, beispielsweise aus Faserverbundwerkstoff, auf der Kaltseite 20 unter normalen Umgebungsbedingungen, beispielsweise mit Strukturelementen eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, verbunden sein kann. Des Weiteren zeigt 5, dass auf der Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50, d. h. im Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 ebenfalls Anbauteile 28 angeordnet sind, die beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff 12 mit CMC-Matrix bestehen und demzufolge hohen Temperaturen widerstehen können, wie sie auf der Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50 auftreten können.
Aus 5 geht hervor, dass das Rohr 24 des Sandwichbauelements 50 in Axialrichtung hintereinanderliegend mehrere Anbauteile 28 aus einem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix von der Innenseite des Faserverbundmaterials 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix in den Strömungsquerschnitt hervorstehen. Gestrichelt ist der Durchmesser des als Rohr 24 ausgebildeten Sandwichbauelements 50 angedeutet. Die Isolationsschicht 54 umfasst den Glasschaumwerkstoff 10, der aus einem Glasgranulat 62 unter Zugabe eines Aufschäummittels hergestellt wird. Zur Verbesserung der Festigkeit, der Rissfestigkeit beziehungsweise der mechanischen Festigkeit, wird dem Glasgranulat 62 Fasermaterial in Kurzform 58 oder auch in Langform 60 beigemischt, wobei es sich bei dem Fasermaterial um Kar bon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierungen), Basalt- oder Keramikfasern oder hochtemperaturbeständigen Glasfasern handeln kann. Daneben besteht die Möglichkeit, bei der Herstellung des Glasschaumwerkstoffs 10 gewickelte Vorformlinge (für spätere Deckschichten) oder Textilhalbzeug in Form von Geflecht- oder Gewebedeckschichten oder in Form von Abstandsgewirk mit einzulegen, die dann im Schmelz- und Schäumprozess des Glasgranulats 62, unterstützt durch das Aufschäummittel von diesem durchdrungen werden. Ein derartiger Herstellungsprozess ist beispielsweise der Figurensequenz der 6a bis 6d zu entnehmen.
Aus der Darstellung gemäß 6a geht hervor, dass der inneren Rohroberflächezugeordnete trockene Verstärkungsfasern 32 um eine innere Form 34 gewickelt werden. Das innere Formteil 34 kann beispielsweise teilbar sein, eine Entformschräge oder dergleichen aufweisen oder eine Entformung aufgrund einer Wärmeausdehnungsdifferenz zu ermöglichen. Im letztgenannten Fall kann dies beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für das Material des inneren Formteils 34 ein Werkstoff gewählt wird, der eine höhere Wärmeausdehnung hat als das nach dem Formgebungsprozess verfestigte Material des Werkstücks, so dass sich das innere Formteil 34 beim Abkühlprozess stärker zusammenzieht als das Werkstück.
6b zeigt, wie nach dem oder unabhängig zum zuvor beschriebenen Prozess der äußeren Rohroberfläche zugeordneten trockenen Verstärkungsfasern um einen Vorformling 36 gewickelt werden, der ein Hohlbauteil darstellt. Der hohle Vorformling 36 umfasst eine Mischung aus Glasgranulat 62 mit Aufschäummittel sowie ein Bindematerial. Des Weiteren können im Granulat 62 Kurzfasern 58 oder auch Langfasern 60 enthalten sein, falls diese als Rissstopper im aufzuschäumenden Glasschaumwerkstoff 10 benötigt werden. Bei den gemäß 6b aufgebrachten Fasern handelt es sich nicht um dieselben wie in 6a, sondern um neue Fasern, die später eine äußere Deckschicht ergeben. Der hohle Vorformling aus Glasgranulat, Aufschäummittel und Bindematerial wird als Stütze für das Wickeln benötigt, um die Fasern auf dem Umfang des äußeren Durchmessers zu halten, da in der Form ja noch ein Hohlraum für Platz zum Aufschäumen des Schaumglases gebraucht wird. Die innere Faserlage bleibt bis nach dem Aufschäumprozess auf der Innenform gewickelt liegen, bis das fertige Bauteil entformt wird.
Der gemäß 6b präparierte Vorformling 36 wird entweder um den gemäß 6a präparierten Vorformling 36 herum hergestellt oder die gemäß den 6a und 6b hergestellten Vorformlinge 36 werden separat gefertigt und anschließend zusammengefügt, beispielsweise indem sie ineinandergeschoben werden. Die Kombination aus beiden Vorformlingen 36 wird, wie nachstehend beschrieben, in eine geschlossene Form 100 überführt, wobei das in 6a beschriebene innere Formteil 34 ein Teil dieser geschlossenen Form darstellen kann.
6c zeigt, dass die geschlossene Form 100 teilbar ausgebildet ist und eine erste Formhälfte 102 sowie eine zweite Formhälfte 104 umfasst.
Die gemäß 6a präparierte innere Form 34 wird von der geschlossenen Form 100 beziehungsweise deren Formhälften 102 und 104 umschlossen und es erfolgt ein Zusammenfügen beider Vorformlinge 36 in eine geschlossene Form 100. Dazu erfolgt ein Aufheizvorgang auf ca. 800 °C, bei dem es zu einem Schmelzen und Aufschäumen des Glasgranulats 62 kommt, so dass die Faserlagen der trockenen Verstärkungsfasern 32 durchtränkt werden.
In der Darstellung gemäß 6c ist mit Bezugszeichen 40 eine Ausdehnung während des Aufschäumprozesses bezeichnet. Der Raum zum Aufschäumen wird durch den ringförmigen Bereich zwischen den trockenen Verstärkungsfasern 32 auf dem Umfang der inneren Form 34 und andererseits durch die Innenseite des aufzuschäumenden Glasschaumwerkstoffs 10 begrenzt.
Nach Beendigung des Aufschäumprozesses wird ein Rohling eines Sandwichbauelements 90 aus Faserkeramik beziehungsweise faserverstärktem Glas, Schaumglas und Faserverbundwerkstoff 12 erhalten. Das in 6d dargestellte Sandwichbauelement 90 umfasst mithin eine Außenschicht 52 aus Faserverbundwerkstoff 12, die die Isolationsschicht 54 aus aufgeschäumtem Glasschaumwerkstoff 10 überdeckt, die wiederum an ihrer, der Heißseite 22 zuweisenden Seite, mit dem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix bedeckt ist. Der in 6d dargestellte, erhaltene Rohling wird abgekühlt und entformt und weist eine endkonturnahe Schaumglassandwichstruktur mit faserverstärkter Außen- und Innenseite auf.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des in den 6 a bis 6 d beschriebenen Prozesses können die Verstärkungsfasern 32 auch schon bereits im Vorfeld ganz oder teilweise mit einer glasförmigen Matrix getränkt worden sein, so dass sie in Form von flachen Prepreg-Bändern vorliegen und in dieser Form in den beschriebenen Prozessen auf die Innenform 34 beziehungsweise den Vorformling 36 aufgewickelt werden können. In diesem Fall ist das Glas aus dem Glasgranulat im Aufschäumprozess nicht oder nicht so tief in die Faserdeckschichten eingedrungen, was gegebenenfalls Vorteile bei hochviskosen Gläsern mit sich bringen kann.
Das vorstehend anhand der 1 bis 6d beschriebene Sandwichbauelement 50, 90 beziehungsweise dessen Herstellungsverfahren ermöglicht die Verwendung des Glasschaumwerkstoffs 10 als Isolationsschicht 54 auf der Heißseite 22 sowie die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs 12 als Außenschicht 52 auf der Kaltseite 20. Dabei übernimmt die Außenschicht 52 aus Faserverbundwerkstoff 12 die Zugbelastung, die zum Beispiel durch Innendruck im Rohr 24 entstehen kann, und nicht wie sonst das Innenrohr. Der gasdichte, hochtemperaturbeständige Glasschaumwerkstoff 10 hingegen übernimmt außer der Dämmfunktion die Aufgabe, das Rohr 24 abzudichten, so dass diese Funktion nicht durch den Faserverbundwerkstoff 12 sicherzustellen ist. Das beschriebene, als Rohr 24 beschaffene Sandwichbauelement 50 hat den Vorteil, dass für die Außenschicht 52 Materialien verwendet werden können, die eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen als dies für eine Innenhülle in Kontakt mit einem Heißgasstrom auf der Heißseite 22 der Fall wäre. Da somit eine wesentlich größere Auswahl an Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung steht, können dafür auch Werkstoffe mit besseren mechanischen Eigenschaften und/oder geringerem Preis beziehungsweise geringeren Verarbeitungskosten eingesetzt werden. Der Glasschaumwerkstoff 10 wiederum weist den Vorteil auf, dass dieser kaum ausgast und damit das heiße Medium nicht mit Dämpfen verunreinigt wird.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 kann dahingehend erweitert werden, dass dieses mit einer Leckagedetektionsvorrichtung 66 versehen werden kann. Dazu können auf der Außenseite der Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 enthält, Luftkanäle 76 eingebracht werden, was beispielsweise durch Fräsen oder Abformen geschehen kann. Diese bleiben auch nach Auflaminieren der Außenschicht 52 in Form des Faserverbundwerkstoffs 12 luftdurchlässig und leiten im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht 54 dort austretende Luft zu den in einer Faserverbundhülle 78 befindlichen diskreten Luftauslasspunkten 68. Vor diesen befinden sich Temperatursensoren 72. Somit übernimmt das Sandwichbauelement 50 zusätzlich die Aufgabe einer sonst weiter außen befindlichen, nicht-strukturellen Luftführungshülle, die in diesem Fall eingespart werden kann. Die diskreten Luftauslasspunkte 68 sind dabei so dimensioniert, dass die Fähigkeit der Außenhülle, die Umfangskräfte durch den Innendruck aufzunehmen, noch immer gewährleistet ist. Die Zellwände des Schaumglases und der gegebenenfalls darin eingebetteten Fasern sind dabei so bemessen, dass die Zellen trotz der lokalen Druckdifferenz nicht kollabieren.
Eine weitere Möglichkeit zur Integration einer Leckagedetektionsvorrichtung 66 ist das Einlaminieren von faseroptischen Sensoren 82 in die äußere strukturelle Faserverbundhülle 78. Da im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht 54 die daraufhin ausströmende Heißluft eine lokale Temperaturerhöhung in der Außenschicht 52 verursacht, kann das Leck dadurch detektiert werden, unter der Voraussetzung, dass der Abstand zwischen den faseroptischen Sensoren 82 gering genug ist, so dass der Temperatureinflussbereich eines kritischen Lecks nicht kleiner als das Raster der Anordnung der Temperatursensoren 72 ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Integration der Leckagedetektionsvorrichtung 66 ist darin zu sehen, dass die feste, lasttragende Außenschicht 52 mit einer einfachen Luftleithülle aus Folie 84 umhüllt wird, die potentiell ausströmende Heißluft zu bestimmten Öffnungen mit Temperatursensoren 72 leitet. Da diese Außenhülle nun keine Dämmfunktion mehr übernimmt, ist diese deutlich einfacher herzustellen und leichter zu montieren. Über eine Folienreserve 88 in Form von Falten oder einer Prägung kann sichergestellt werden, dass im Fall von ausströmender Luft zwischen Außenhülle und Folie genügend Abstand vorhanden ist oder sich durch den Differenzdruck bildet, damit diese Luft zu diskreten Öffnungen in der Folie mit Leckagedetektionssensoren 66 strömen kann.
Für den Fall, dass die Isolationsschicht 54 durch mechanische Bearbeitung aus einem Blockmaterial hergestellt wird, so ist die Oberfläche der Isolationsschicht 54, die der Heißseite 22 zuweist, sehr rau. Die Oberfläche der Glasschaumschicht 54 (Isolationsschicht) besteht aus eine Anzahl von Stegen aufgebrochener Glasblasenzellen. Auf der Außenseite, wo die Außenschicht 52 auflaminiert wird, ist dies im Sinne der Anhaftung des Faserverbundwerkstoffs 12 von Vorteil. Auf der Innenseite der Isolationsschicht 54 ist jedoch eine glatte Oberfläche von Vorteil. Zudem ist es von Vorteil, wenn dort keine offenen Glasporen 94 vorhanden sind, in die potentiell Flüssigkeit eindringen könnte. Um dies zu erreichen, wird eine Wärmebehandlung der Oberfläche der Isolationsschicht 54, die der Heißseite 22 zuweist, vorgenommen. Dabei werden Stege aufgebrochener Glasporen 94 des Glasschaumwerkstoffs 10 aufgeschmolzen, die sich durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Glasschaumwerkstoffs 10 zu einer glatteren Oberfläche zusammenziehen.
Da hierbei das Volumen des Glasschaumwerkstoffs 10 lokal abnimmt, muss dafür der mechanisch bearbeitete Rohling an den zu behandelnden Seiten mit entsprechendem Übermaß 96 hergestellt werden und die oberflächenwirksame Wärmebehandlung ist so zu dosieren, dass sich nach der Wärmebehandlung und dem Zusammenziehen das gewünschte Sollmaß 98 ergibt. Auch die gewünschte Schichtstärke des an der Oberfläche dann nicht mehr porösen, sondern monolithischen Glasschaumwerkstoffs 10 kann durch die Größe des vorgehaltenen Übermaßes 96 beeinflusst werden.
Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise mithilfe der Vorrichtung 18 in Gestalt eines Lasers oder mit einem auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierenden Gerät durchgeführt werden.
Insbesondere kann die beschriebene Wärmebehandlung auch an Stirnseiten der Rohrenden der als Rohre 24 gefertigten Sandwichbauelemente 50 durchgeführt werden, um eine glatte Oberfläche zum Abdichten der Verbindungsstöße zwischen zwei miteinander zu verbindenden Rohren 24 zu erreichen. Um hier nicht nur eine glatte, sondern auch eine ebene beziehungsweise geometrisch genau zu einer Dichtung passende Oberfläche zu erzeugen, kann auch die Verwendung eines hei-ßen Stempelwerkzeugs oder ähnliches in Erwägung gezogen werden.
Um Oberflächenzugspannungen oder andere schädliche Zugspannungen in der Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst, zu verhindern, kann es sinnvoll sein, entweder den Rohling insgesamt bei der Oberflächenbehandlung auf ein erhöhtes Temperaturniveau aufzuheizen und/oder im Anschluss an die Oberflächenbearbeitung einer Wärmebehandlung, ähnlich wie bei Glastemperprozessen, durchzuführen.
Bei besonders temperaturintensiven Anwendungen und für den Fall, dass zu erwartende Belastungen auf der Heißseite 22 eines Sandwichbauelements 50 derart sind, dass sie nicht von der Isolationsschicht 54 beziehungsweise einer nach Oberflächenbehandlung geglätteten Glasschicht 14 alleine aufgenommen werden können, kann auf der Heißseite 22 eine Faserverstärkung vorgenommen werden. Dazu wird auf die unbearbeitete Oberfläche der Isolationsschicht 54 an der der Heißseite 22 zuweisenden Seite der Isolationsschicht 54 ein Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix eingesetzt. Dessen Aufbringen kann beispielsweise durch direktes Auflaminieren und anschließende Temperaturbehandlung der laminierten Schicht und der Isolationsschicht 54 gemeinsam zur Konsolidierung und Aushärtung beziehungsweise Pyrolyse des Faserverbundmaterials 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix geschehen, falls die Temperaturbeständigkeit des Glasschaumwerkstoffs 10 hoch genug für den für das oben genannte Faserverbundmaterial 16 notwendigen Prozess (z. B. Glaslötprozess) ist.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement kann in Heißgasleitungen, zur Luft- beziehungsweise Abgasführung oder als Einhausung heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer APU (Auxiliary Power Unit) eines Flugzeugs eingesetzt werden, ferner kommt ein Einsatz als Einhausung zugehöriger Schalldämpfer in Frage. Bei den Anwendungen als Einhausung spielt die Luftdichtheit eine geringere Rolle, so dass die Sandwichbauelemente 50 in diesem Fall auch geteilt hergestellt werden können. Ein Vorteil ist jedoch darin zu sehen, dass das Sandwichbauelement 50 im Gegensatz zu Dämmwolle eine feste Struktur hat und daher auf beiden Seiten eine feste Anschlussschicht vorliegt, die für die Befestigung von Anbauelementen (vgl. Position 28, 30) oder für die Anbindung an äußere Strukturen geeignet sind.
In ähnlicher Weise kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 mit einem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix einer Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 sowie einen Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 aufweist, zur Einhausung weiterer heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer Festoxidbrennstoffzelle oder zur sicherheitserhöhenden Einhausung potentiell heiß werdender Aggregate (z. B. im Fehlerfall), wie zum Beispiel Batterien, Niedertemperaturbrennstoffzellen oder anderen Energiewandlern, eingesetzt werden.
Ein weiterer Anwendungsfall für das beschriebene, erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50, 90 können Strukturelemente sein, die als Hitzeschutzschilde von außen dienen, so zum Beispiel bei Raumfahrzeugen, wo sie dem Hitzeschutz bei einem atmosphärischen Wiedereintritt dienen oder bei Überschallflugzeugen. In diesem Fall ist die mit dem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix vorgesehene Seite auf der Außenseite liegend und die aus dem Faserverbundwerkstoff 12 gefertigte Außenschicht 52 auf der Innenseite des Fluggeräts angeordnet. Auch in diesem Anwendungsfall kann eine Adaption des weiter oben beschriebenen Prinzips des Einlaminierens faseroptischer Sensoren 82, in diesem Fall gegebenenfalls auch in die faserkeramische Deckschicht oder in die in diesem Fall innere Faserverbundwerkstoffschicht oder in beide zur Detektion von Lecks oder Beschädigungen dienen.
Die Außenschicht 52 auf der Kaltseite 20, die aus Duro- oder Thermoplast-Faserverbundwerkstoff 12 gefertigt ist, kann erst dann aufgebracht beziehungsweise auflaminiert werden, wenn danach keine Prozesse mit extrem hohen Temperaturen durchgeführt werden, wie sie für die Bearbeitung von Glas oder keramischem Material notwendig sind, sondern nur noch Prozesse mit Temperaturen im normalen Verarbeitungsbereich des Kunststofffaserverbunds ablaufen. Für das Aufbringen des als Außenschicht 52 dienenden Faserverbundwerkstoffs 12 kommen nahezu alle gängigen Prozesse, wie zum Beispiel Duroplast-Prepreg-basierte Verfahren, Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding ≙ Spritzpressen), Thermoplast-Prepreg-basierte Verfahren, wie zum Beispiel TP-AFP-Verfahren (Thermoplastic Automated Fiber Placement), in Frage, solange die mechanischen und thermischen Belastungen, zum Beispiel durch Autoklavdruck, Legekopf-Anpressdruck oder durch Temperaturgradienten nicht höher sind als die Belastungsgrenze des als Isolationsschicht 54 eingesetzten Glasschaumwerkstoffs 10.
Den 7 und 7.1 ist das Sandwichbauelement 50, ausgebildet als Rohr 24, zu entnehmen. Die Heißseite ist mit Bezugszeichen 22 bezeichnet, während die Kaltseite durch Bezugszeichen 20 gekennzeichnet, ist. Ausgehend von der Heißseite 22 erstreckt sich eine Leckagestelle 48, durch welche heißes Medium von der Heißseite 22 in Richtung Kaltseite 20 durch den Glasschaumwerkstoff 10, der die Isolationsschicht 54 bildet, über Luftkanäle 76 in Richtung eines Auslasses 68 im Bereich der Außenschicht 22 strömt. Dem Auslass 68 an der Außenschicht 52 gegenüberliegend befindet sich ein Temperatursensor 72. Dieser sensiert die durch das austretende heiße Medium sich einstellende Temperaturerhöhung. 7.1 sind Luftkanäle 76 zu entnehmen, die einander kreuzen und in die Außenschicht 52 des ebenfalls als Rohr 24 ausgebildeten Sandwichbauelements 50 eingelassen sind. Das Rohr 24 weist Stirnseiten 86 auf, an denen das Rohr 24 an entsprechenden Stoßstellen in eine Leitung integriert beziehungsweise mit weiteren Rohren verbunden werden kann.
8 ist zu entnehmen, dass das hier ebenfalls als Rohr 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 von einer Luftleithülle 84, beispielsweise aus einem Folienmaterial umschlossen ist. Wie aus 8 hervorgeht, weist die Luftleithülle 84 an beispielsweise einander gegenüberliegenden Stellen Folienreserven 88 auf, so dass bei über eine Leckage in der Schaumglasschicht und den Faserverbundschichten austretendem Medium dieses von der Luftleithülle 84 aufgefangen wird und dank der vorliegenden Reserve 88 sich ein Zwischenraum zwischen äußerer Faserverbundschicht und der Luftleithülle 84 bilden kann, so dass die Luft durch diesen Zwischenraum zu einem der Auslässe 68 abströmt und erst dort nach außen austritt. Auch in 8 ist das als Rohr 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 auf der Heißseite 22 von einem Medium durchströmt. Dem Auslass 68 ist analog zur Darstellung gemäß 7 ebenfalls ein Temperatursensor 72 zugeordnet. Das Sandwichbauelement 50 umfasst neben dem Glasschaumwerkstoff 10, dem Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 an seiner Innenseite das Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix.
Den 9 und 9.1 ist zu entnehmen, dass das Sandwichbauelement 50, hier ebenfalls ausgeführt als Rohr 24, in seine Außenschicht 52 einlaminierte, faseroptische Sensoren 82 umfassen kann. Diese sind auf der Außenseite des Rohrs 24, d. h. auf der Außenschicht 52, analog zum Verlauf von Luftkanälen 76 (vgl. Darstellung gemäß 7.1) angeordnet. Bei dem in 9 dargestellten Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 handelt es sich um ein solches, welches analog zum Sandwichbauelement 50 gemäß 7 aufgebaut ist, nämlich den Glasschaumwerkstoff 10 als Isolationsschicht 54 enthält sowie als Außenschicht 52 den Faserverbundwerkstoff 12. In die Außenschicht 52 sind die faseroptischen Sensoren 82 einlaminiert.
Der Verlauf der Anordnung der faseroptischen Sensoren 82 kann dem Verlauf der Luftkanäle 76 entsprechen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Bei den Luftkanälen 76 ist es beispielsweise sinnvoll, wenn sie sich regelmäßig überkreuzen; bei faseroptischen Sensoren 82 kann auch eine engmaschige, spiralförmige Wicklung in nur eine Richtung in Frage kommen, ohne dass Überkreuzungen ausgebildet sind. Die Luftkanäle 76 gemäß 7 befinden sich in der Schaumglasschicht, während die faseroptischen Sensorgen 82 gemäß 9 der äußeren Faserverbundschicht zugeordnet werden können.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Bezugszeichenliste

10: Glasschaumwerkstoff
12: Faserverbundwerkstoff
14: Glasschicht an der Oberfläche des Glasschaumwerkstoffs
16: Faserverbundmaterial mit keramischer oder glasartiger, anorganischer Matrix
18: Vorrichtung zur lokalen Erzeugung hoher Temperaturen
20: Kaltseite
22: Heißseite
24: Rohr
25: Resonatorkammern
26: Platte, Paneel
28: Anbauteile Baustruktur oder System auf Heißseite
30: Anbauteile aus Faserverbundwerkstoff auf Kaltseite
32: Trockene Verstärkungsfasern
34: Innere Form
36: Vorformling
38: Außenform
40: Ausdehnung während des Aufschäumprozesses
48: Leckagestelle
50: Sandwichbauelement
52: Außenschicht beziehungsweise Schicht auf Kaltseite
54: Isolationsschicht
56: Fasermaterial (Metall-, Basalt-, Glas-, Karbon- und Keramikfasern)
58: Kurzfasern
60: Langfasern
62: Glasgranulat
64: Textilhalbzeug
66: Leckagedetektionsvorrichtung
68: Auslass
70 72: Temperatursensor
74 76: Luftkanäle in Außenseite Isolationsschicht
78: Faserverbundhülle
82: Einlaminierte faseroptische Sensoren
84: Luftleithülle aus Folie
86: Stirnseite
88: Folienreserve
90: Sandwichbauelement aus Faserverbundwerkstoff mit anorganischer Matrix, Schaumglas und allgemeinem Verbundwerkstoff
92: Vorschubrichtung
94: Offene Glasporen
96: Übermaß
98: Sollmaß
100: Geschlossene Form
102: Erste Formhälfte
104: Zweite Formhälfte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016000915 A1 [0002]
DE 112011102404 T5 [0003]
AT 521214 B1 [0004]
DE 10341158 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements (50) in Form eines Rohres (24) oder in Form einer Platte (26), wobei das Sandwichbauelement (50) einer Kaltseite (20) und einer Heißseite (22) ausgesetzt ist, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Herstellung einer der Heißseite (22) zugewandten Isolationsschicht (54) aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) und b) Herstellung einer der Kaltseite (20) zugewandten Außenschicht (52) des Sandwichbauelements (50), einen Faserbundwerkstoff (12) enthaltend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) mit einer Schicht versehen wird, die ein Faserverbundmaterial (16) mit einem Keramik-, Glaskeramik- oder Glasmatrixmaterial enthält.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Verfahrensschritt a) der Heißgasseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, aus einem Schaumblockmaterial oder aus einem Vorformling (36) gefertigt wird, wobei letzterer zumindest ein Glasgranulat (62) und ein Aufschäummittel umfasst.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) durch lokale Erzeugung hoher Temperaturen geglättet wird, derart, dass nach der Glättung eine Offenporenfreie Glasschicht (14) erhalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauelement (50) während der Durchführung zumindest des Verfahrensschritts a) in einer geschlossenen Form (100) gehalten wird, in welcher das Glasgranulat (62) geschmolzen und aufgeschäumt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der geschlossenen Form (100) eine aus einem Faservorformling (36) oder einem temperaturbeständigen, porösen Faserverbundwerkstoff (12) gefertigte faserhaltige Schicht (32) mit der Schmelze des Glasgranulats (62) vollständig oder teilweise durchtränkt wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte, hochtemperaturbeständige Schaumwerkstoff (10) bei dessen Herstellung mit Fasermaterial, insbesondere Karbon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierung), Basalt-, Keramikfasern oder temperaturbeständigen Glasfasern versehen wird, wobei das Fasermaterial als Kurzfasern (58), Langfasern (60) oder als Endlosfasern vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial als Kurzfasern (58) oder als Langfasern (60) in das Glasgranulat (62) vor dessen Aufschmelzen oder Aufschäumen eingebracht wird oder als gewickelter Vorformling (36) für Deckschichten oder als Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht oder Gewebedeckschicht oder Abstandsgewirk eingebracht wird, die beziehungsweise das während des Schmelz- und Aufschäumprozesses des Glasgranulats (62) von diesem durchtränkt werden.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorformling (36) aus einem Gemisch umfassend Glasgranulat (62), Aufschäummittel und Binder erzeugt wird, derart, dass der Vorformling (36) als Stütze für das Aufbringen weiterer Vorformlinge (36) für eine der Faserdeckschichten dient und somit mittels des/der Vorformlings/e (36) die Position der Kavität steuerbar ist, in die sich das Schaummaterial bei der Expansion ausdehnt und wo sich das auszuhärtende Material und die Fasern befinden.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenseite der Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) enthält, Luftkanäle (76) eingebettet werden, die nach Auflaminieren der Außenschicht (52) luftdurchlässig bleiben und im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht (54) austretende Luft zu diskreten Auslässen (68) leiten, welchen Temperatursensoren (72) zugeordnet sind.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die die Isolationsschicht (54) überdeckende Außenschicht (52) des Faserverbundwerkstoffs (12) faseroptische Temperatursensoren (82) einlaminiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung der der Heißseite (22) zugewandten Isolationsschicht (54) Stege aufgebrochener Glasblasen (94) aufschmelzen und sich durch Oberflächenspannung zu einer glatten Fläche zusammenziehen oder durch Anpressen eines heißen Formwerkzeugs eine vorgegebene Oberflächengeometrie erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung an Stirnseiten (86) des Sandwichbauelements (50) als Rohr (24) durchgeführt wird, um glatte Oberflächen zur Abdichtung eines Verbindungsstoßes zwischen zwei Rohren (24) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (16) mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix auf die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) auflaminiert wird und eine Temperaturbehandlung des Laminats und der Isolationsschicht (54) gemeinsam zur Konsolidierung/Aushärtung/Pyrolyse dieses Faserverbundmaterials (16) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte Schicht des Faserverbundmaterials (16) mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix mittels eines Klebeprozesses mit einem hochtemperaturbeständigen Klebstoff oder mittels eines Glaslotprozesses mit einem Glaslot auf die der Heißseite (22) zugewandte gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht (54) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (12) auf der Kaltseite (20) als Außenschicht (52) mittels Duroplast-Prepreg-basierter Verfahren oder Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding ≙ Spritzpressen) oder Thermoplast-Prepreg-basierter Verfahren, insbesondere TP-AFP-Verfahren (Thermoplastic Automated Fiber Placement), aufgebracht wird.
Sandwichbauelement (50) in Form eines Rohrs (24) oder in Form einer Platte (26), welches einer Kaltseite (20) und einer Heißseite (22) ausgesetzt ist, hergestellt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauelement (50) zumindest zweischichtig ausgebildet ist und eine der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, sowie eine der Kaltseite (20) zugewandte Außenschicht (52) aus einem Faserverbundwerkstoff (12) umfasst.
Sandwichbauelement (50) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, mit einer Schicht versehen ist, die ein Faserverbundmaterial (16) mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix enthält.
Verwendung des Sandwichbauelements (50) gemäß den Ansprüchen 17 oder 18 in einem Luftfahrzeug als Heißgasleitung oder als Zapfluft- oder als Auspuffleitung oder als Triebwerks- oder als APU-Schalldämpfer (APU ≙ Auxiliary Power Unit).
Verwendung des Sandwichbauelements (50) gemäß den Ansprüchen 17 oder 18 zur Einhausung potentiell heißer Aggregate im Regelbetrieb und/oder im Fehlerfall- oder Brandfall in einem Luftfahrzeug, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle oder mindestens einer Batterie oder eines Niedertemperaturenergiewandlers.