Lange bevor Menschen begannen Strukturen und Bauwerke zu erstellen, haben sich Sandwichbauweise und Wabenstrukturen in der Natur entwickelt.
Viele weitere Beispiele findet man in den Skelettstrukturen von pflanzlichen und tierischen Organismen, in Blättern von Pflanzen wie auch in Flügelstrukturen von Vögeln.
Lilienblatt-Querschnitt
Vogelflügel-Querschnitt
Schädel-Querschnitt
Ein Beispiel für eine Schaumkern-Sandwichstruktur.
Die Wabe der Honigbiene ist eine Struktur mit optimaler Materialeffizienz. Sie entsteht durch zwei physikalische Phänomene die jeweils Minimierungsaufgaben lösen:
1. Hexagonal dichteste Zylinderpackung und
2. Minimierung der Oberflächenenergie
Die hexagonale Wabe der Honigbiene wurde schon in der Antike bewundert und hat seitdem zum Fragen und Nachdenken angeregt.
Dädalus, der mythologische Erfinder und Konstrukteur der antiken Griechen soll mit Hilfe einer verlorenen Wachsform eine goldene Wabe gegossen haben (berichtet von Diodorus Siculus, 90-21 BC).
Archimedes legt die Grundlage für die Ingenieurwissenschaften und entdeckt, neben der Dichte, mit dem Hebelgesetz ein erstes Element zum Verständnis der Effizienz der Sandwichbauweise.
Ein bemerkenswertes Beispiel der praktischen Fähigkeiten, Erfahrungen und Kenntnisse der Römer: Die 1000 m lange Brücke über die Donau, erbaut von Apollodorus unter dem Kaiser Trajan.
Marcus Varro berichtet, daß die Geometer (Euclid, Zenodorus) bewiesen haben, daß mit gleichem Materialaufwand die hexagonale Zellenform die größte Menge an Honig aufnehmen kann.
Das Buch über Architektur von Vitruvius dokumentiert die effiziente Nutzung von Material in den Bauwerken der Römer.
Vitruvius (90-25 BC) berichtet in „De architectura libri decem“ über die Entdeckungen des Archimedes und beschreibt römische Balkenstrukturen im Detail (Palladio Zeichnung in der 1556 Edition des Buches von Vitruvius).
Die „Authentica Habita“ gibt den Gelehrten besondere Privilegien. Dies startet den Befreiungsprozesses vom Lehrmonopol der Kirche und führt zu vielen Universitätsgründungen.
Die Erfindung des Buchdruckes mit beweglichen Lettern und der Humanismus begründen eine neue Zeit: Die Renaissance.
Da Vincis Entdeckungen der neutralen Achse und des Verhältnisses zwischen Spannlänge, Last und Durchbiegung im Dreipunktbiegelastfall blieben unbekannt, weil zwei seiner Notizbücher, die „Madrid Codices“, erst 1965 wiederentdeckt werden.
Leonardo da Vinci (1452-1519) fand bereits fast 200 Jahre vor Edme Mariotte und Robert Hook einige Grundbeziehungen:
“Wenn sich die anfänglich parallelen Linien (a und b) an der Unterseite berühren würden, so würde sich ihr Abstand an der Oberseite um den gleichen Betrag erhöhen. In der Mitte, auf halber Höhe, würde sich der Abstand zwischen den Linie (c-o) weder vergrößern noch verkleinern.” (da Vinci, 1493)
Leonardo da Vinci beschreibt, dass sich vier zusammengebundene Balken unter der gleichen Last so durchbiegen wie ein Balken mit einem Viertel der Spannlänge. Obgleich er den genauen Einfluß von Balkenbreite und Balkenhöhe nicht beschreibt, muss da Vinci verstanden haben, dass eine größere Durchbiegung resultiert, wenn die vier Balken nicht zusammengebunden sind.
Palladios Balkenfachwerke deuten auf gutes Verständnis der nötigen Maßnahmen zur Vermeidung von Schubverformungen hin. Für seine Brücke in Bassano verwendete er allerdings lasttragende Stützen, die die Brücke bei Überflutungen anfällig für Beschädigungen durch Geröll machen.
Palladios Holzbrücke in Bessano mit einem nicht lasttragenden Dach, d. h. ohne Nutzung des Sandwicheffekts (1567).
Galilei arbeitet an den Problemen der Biegetheorie und beschreibt die Effizienz von Rohren im Vergleich zu Stäben.
“Ich möchte hier eine Theorie des Widerstandes von Hohlkörpern anfügen. Die Kunst und mehr noch die Natur nutzen dies in tausenden Fällen in denen die Widerstandsfähigkeit ohne zusätzliches Gewicht erhöht wird, wie man an Vogelknochen und an vielen Halmen sehen kann sind diese leicht und sehr widerstandsfähig gegen Biegung und Bruch.” (Galilei, 1638)
Robert Hook entdeckt natürliche Zellstruktuen im Kork die der hexagonalen Wabe der Honigbiene gleichen.
Jacob Leupold beschreibt Röhrenbrücken mit druckbelastetem Dach und veröffentlicht die erste Sandwichbalkenkonstruktion von Schildknecht.
Leupold präsentiert erstmalig Erklärungen für den Sandwicheffekt in seinen Überlegungen und Hinweisen zur Versteifung von Holzbalken.
Leupold diskutiert auch die Vorteile von Spann-Riegeln, die eine Verwendung von kürzeren und kostengünstigeren Balken ermöglichen. Er erklärt, dass der zentrale, vertikale Balken den Spann-Riegel einfach nur stützt.
Victor Louis kannte Leupold´s Buch „Theatrum Pontificale“ von seiner Arbeit für den König von Polen.
Eisen-Sandwich-Deckenbalken des Theaters Comédie-Française
Die fortschrittlichen Sandwichbalkenkonstruktionen von Victor Louis wurden von Rondelet und Duleau analysiert.
An Balken mit Abstandshaltern wird die Steifigkeitserhöhnung durch den Sandwicheffekt von Rondelet und Duleau analysiert und erstmalig dokumentiert.
Duleau verwendet erstmals die Formel b (h³-h1³) / 12 für die Berechnung der Durchbiegung.
Die erste Sandwichbalkenkonstruktion im Transportwesen, ein Holzbalken mit Eisenplatten reduziert das Gewicht der Lokomotiven von George und Robert Stephenson und spielt eine wichtige Rolle bei ihrem kommerziellen Erfolg.
Die Lokomotive “Planet” von Robert Stephenson von 1830 hat einen Rahmen aus Sandwichbalken. Diese bestehen aus schmiedeeisernen Platten, die mit einem Kern aus Eichenholz vernietet sind. (Stephenson Patent, 1833)
In Verbindung mit dieser 3-lagigen Balkenkonstruktion in den Lokomotiv-Rahmen von Stephenson taucht die Bezeichnung “Sandwich” erstmals im Bereich struktureller Anwendungen auf. Robert Stephenson baut auch Eisenbahnbrücken und wird als erster Ingenieur Millionär.
Experimente und Analysen des Beulversagens von 3-Punkt biegebelasteten Röhrenstrukturen.
Robert Stephenson hat 1845 die Idee zu einer Brücke, durch die der Zug in einer Röhre fährt und konsultiert William Fairbairn. Dieser machte eine Reihe von Zeichnungen und Experimenten zur Konstruktion der Röhrenbrücke Britannia mit 149 m freier Spannweite: eine Sandwichstruktur zweiter Ordnung (Fairbairn, 1849).
Für die theoretische Prüfung wurde der Mathematiker Hodgkinson zu Rate gezogen. Seine Steifigkeitsberechnung lag um 20 % daneben. Wegen Unsicherheiten in der Festigkeitsberechnung bestand er darauf, zur Sicherheit Ketten anzubauen. Diese wurden aber nie hinzugefügt.
Isambard Brunel baut Eisen-Dampfschiffe mit doppeltem Boden aus Eisenplatten und genietetem Zellkern aus Längsspanten und Querrippen. Fairbairn und andere erörtern das Beulen der Decklage auf rechteckiger Rahmenstützung.
Künstliche Waben aus trapezförmig gewellten Lagen zur Bienenzucht.
In einem zweiten Schritt werden diese künstlichen Waben durch ein Tauchbad mit Wachs oder Paraffin imprägniert, um eine Härtung und eine Akzeptanz durch die Bienen zu erreichen. (Vergleichbar mit dem 50 Jahre späteren Imprägnieren von Kraftpapierwaben mit Phenolharz, um eine Akzeptanz der Luftfahrtbehörden zu erreichen.
Octave Chanute, ein Eisenbahnbrückeningenieur erfindet die Sandwich-Doppeldecker-Flugzeugstruktur mit Holzstäben und diagonalen Drähten.
Chanute patentiert seine Erfindung nicht, sondern schenkt sie der Allgemeinheit. Nicht weil ihm ihr Wert nicht bewusst war, sondern weil er einen höheren Wert darin gesehen hat, die Luftfahrt voranzubringen, was er 1894 zum Ausdruck brachte: “Hoffen wir, dass eine funktionierende Flugmaschine, die im Moment noch in ferner Zukunft liegt, aber realisierbar scheint, nur Gutes in die Welt bringt; dass sie Entfernungen überbrückt, jeden Teil der Welt erreichbar macht, Menschen näher zusammenbringt, die Zivilisation voranbringt, und uns der vielversprochenen Ära näher bringt, in der zwischen den Menschen nur Frieden und Wohlwollen herrscht.“ (Chanute, 1894)
Die ersten expandierten Wabenkerne.
Hans Heilbrun erfindet 1901 den Produktionsprozess und die Struktur der expandierten Papierwabe und nutzt sie für dekorative Anwendungen in der Papierfabrik Heilbrun & Pinner, Halle/ Saale.
Verschiedene Prozesse um einen zu Wabenkernen expandierbaren Stapel von Papierrollen herzustellen, wurden von Heilbrun & Pinner 1903 (und später von Budwig) patentiert.
Octave Chanute war Mentor der Gebrüder Wright. Die prinzipelle Struktur ihres Fluggerätes von 1903 ist eine Konstruktion von Chanute. Sein Verständnis für Leichtbau war der Schlüssel zum ersten erfolgreichen Motorflug.
Wabenkerne aus Wellpappe für Sandwichplatten.
Der Wabenkern wird von einem Block aus gestapelten und verklebten Wellpappenbögen geschnitten und für Bauanwendungen genutzt.
Hugo Junkers patentiert 1915 die ersten Wabenkerne für Flugzeuge.
Er beschreibt, dass eine Metallplatte auch druckbelastet werden kann, wenn sie in sehr kleinen Intervallen gestützt wird. Die Stützen “können durch eine seitliche Aneinanderreihung von quadratischen oder rechteckigen Zellen oder dreieckiger oder sechseckiger Hohlkörper realisiert werden” (Junkers, 1915).
Allerdings ist es problematisch eine Decklage mit einem geschlossenen Zellkern zu verbinden. Deshalb verwendet Junkers schließlich eine offene Wellenstruktur, die sich vernieten und verschweißen lässt.
Junkers Passagierflugzeug F13 von 1919 wird der Prototyp des modernen Passagierflugzeuges.
Sandwichkonstruktion mit Furnierdecklagen auf einem mit Paraffin imprägnierten Balsaholzkern und Hartholzeinsätzen. (Jones Patent 1918)
Sandwichbauweise mit faserverstärkten Kunststoffdecklagen
Theodor von Karman und Paul Stock patentierten 1924 eine Sandwichbauweise mit Balsaholzkern und faserverstärkten Polymerdecklagen für Flugzeugstrukturen. Sie verwenden das Phenolharz (Bakelite), das 1907 von Leo Hendrik Baekeland erfunden wurde.
Erste Nutzung expandierter Papierwaben als Sandwichkern.
George Thomson schlug 1930 die Verwendung von dekorativen Papierwaben (die vom Heilbrun & Pinner Lizenznehmer Beistle hergestellt wurden ) als schallabsorbierende Wandverkleidung vor.
Thomson patentierte 1931 die Anwendung von expandierten Papierwaben als Kernmaterial von leichten Gipskartonplatten.
Er arbeitete mit John D. Lincoln zusammen. Dieser schlug 1941 expandierte Waben der Firma Glenn L. Martin vor, um einen Kern aus harzimprägnierten Baumwollresten in Flugzeugradomen zu ersetzen.
Geschweißte Stahl-Wabenplatten aus gewellten Stahlblechen.
Edward G. Budd hatte 1914 geformte Stahlbleche für die ersten Ganzmetallfahrzeuge eingeführt. In den 1920er Jahren wurde sein Unternehmen führend beim Pressen von Automobilkomponenten in Stahl. Er ertwarf und baute 1934 den rekordbrechenden Zug Zephyr.
Auch Claude Dornier versuchte 1937 das Problem der Waben-Decklagen Verbindung, das Junkers schon hatte, zu lösen.
Er schlug vor Röhrchenwaben und gewellte Metallwaben für Flugzeugstrukturen zu verwenden und durch Einpressen der harten Zellwände des Kerns in die Decklagen die Verbindung herzustellen. Durch den plastischen Zustand der Decklagen sollten sich die harten Zellwände in das Decklagenmaterial einbetten.
Erste Strukturklebstoffe ermöglichen verklebte Sandwichbauteile mit Wabenkern.
Norman A. de Bruyne patentiert 1938 ein manuelles Verfahren zur Wabenherstellung mit harzimprägnierten Geweben für Flugzeugbauteile in Sandwichbauweise.
Wiedererfindung der expandierten Wabenkerne und ihrer Produktion für Verbundwerkstoffe.
Roger C. Steele wurde durch die Anwendung der Wabenkerne in Flugzeugradomen inspiriert. In seinem Unternehmen California Reinforced Plastics Company, aus dem später Hexcel wurde, werden 1946 glasfaserverstärkte Waben in Lizenz aus gewellten Lagen hergestellt (Engel). Das Neue an dem Hexcel Expansionsprozess war die Vorhärtung des Harzes vor dem Zusammenführen und Schneiden der Bögen.
Steele hatte die Vision und Überzeugung dass “Waben die effizientesten Strukturen sind die man jemals erzielen kann”.
Nomex(R) Papierwaben – Waben aus feuerresistentem Aramidfaserpapier Nomex(R), entwickelt von DuPont Mitte der 60´s fanden zunächst 1969 in der Boeing 747 breite Verwendung.
Die 747-100 nutzte 1500 m² Wabenkerne in Interieurbauteilen und 2000 m² in Exerieurbauteilen.
Senkrecht zur Ebene extrudierte Wabenkerne.
Extrusion von kleinen Wabenblöcken, die zu großen Blöcken verschweißt werden von denen dann die Wabenbögen abgeschnitten werden.
Extrudierte Röhrchenwaben.
Extrusion einzelner Röhrchen. Verbinden der Röhrchen zu einem größen Block und Abschneiden der Wabenbögen vom Block.
Röhrchenwaben wurden von Banks 1943 und Bacon 1945 weiterentwickelt.
Entwicklung der FoldHex Wabenkerne.
Waben aus Papier, produziert durch schnelle kontinuierliche in-line Faltprozesse.
Entwicklung des TorHex Wabenkerns.
Waben aus Papier, produziert durch einen schnellen kontinuierlichen in-line Faltprozess.
Entwicklung der ThermHex Wabenkerne.
Waben aus thermoplastischen Folien, produziert durch einen schnellen kontinuierlichen in-line Faltprozess.
ThermHex Produktionsprozess mit halb offener Wabenstruktur
Technologieführer für kosteneffiziente Sandwichmaterial-Produktionstechnologien.
Führender Produzent thermoplastischer Wabenkerne.
