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History of Sandwich Construction and Honeycombs

Die Geschichte von Sandwichbauweise und Wabenkernen


Urzeit - Antike

Lange bevor Menschen begannen Strukturen und Bauwerke zu erstellen, haben sich Sandwichbauweise und Wabenstrukturen in der Natur entwickelt. Die effiziente Nutzung von Material und Energie, die zu minimalem Gewicht führt, ist ein Grundprinzip der Natur.

Um ein Beispiel für die Sandwichbauweise in der Natur zu finden muß ein menschliches Gehirn nicht weit schweifen, denn der menschliche Schädel ist ein Beispiel für eine Schaumkern-Sandwichstruktur. Viele weitere Beispiele findet man in den Skelettstukturen von pflanzlichen und tierischen Organismen, in Blättern von Pflanzen wie auch in Flügelstrukturen von Vögeln. Lange bevor Menschen begannen Strukturen und Bauwerke zu erstellen, haben sich Sandwichbauweise und Wabenstrukturen in der Natur entwickelt. Die effiziente Nutzung von Material und Energie, die zu minimalem Gewicht führt, ist ein Grundprinzip der Natur.

Materialstruktur von Pflanzen - vor 500 - 100 Mio. Jahren

Lilienblatt-Querschnitt

Skelettstruktur von V?geln - vor 150 - 50 Mio. Jahren

Vogelflügel-Querschnitt

Skelettstruktur von S?ugetieren - vor 100 - 10 Mio. Jahren

Der vitruvische Mensch von Leonardo da Vinci

Schädel-Querschnitt

Nat?rliche Waben der Honigbiene - vor etwa 50 Mio. Jahren

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 Oberfächenenergie

Die hexagonale Wabe der Honigbiene wurde schon in der Antike bewundert und hat seitdem zum Fragen und Nachdenken angeregt.

Die alten Griechen - etwa1300 BC

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 - 230 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.

Die r?mischen Br?cken ?ber Rhein und Donau - 55 BC, 103

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 - 36 BC

Marcus Varro berichtet, daß die Geometer (Euclid, Zenodorus) bewiesen haben, daß mit gleichem Materialaufwand die hexagonale Zellenform die größte Menge an Honig aufnehmen kann.

Marcus Vitruvius Pollio - 25 BC

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).

Scholarenprivileg von Friedrich Barbarossa - 1155

Die „Authentica Habita“ gibt den Gelehrten besondere Privilegien. Dies startet den Befrei-ungsprozesses vom Lehrmonopol der Kirche und führt zu vielen Universitätsgründungen.

Renaissance - 17. Jahrhundert


Wiederentdeckung des Buches von Vitruvius in Rom - 1415


Johannes Gutenberg - 1440

Die Erfindung des Buchdruckes mit beweglichen Lettern und der Humanismus begründen eine neue Zeit: Die Renaissance.

Leonardo da Vinci - 1493

Da Vincis Entdeckungen der neutralen Achse und des Verhältnisses zwischen Spanlänge, 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 Spanlänge. 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.

Andrea Palladio - 1570

Palladios Balkenfachwerke deuten auf gutes Verständnis der nötigen Maßnahmen zur Vermeindung 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).

 

Galileo Galilei - 1638

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 - 1665

Robert Hook entdeckt natürliche Zellstruktuen im Kork die der hexagonalen Wabe der Honigbiene gleichen.

Jacob Leupold - 1726

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 konstengünstigeren Balken ermöglichen. Er erklärt, dass der zentrale, vertikale Balken den Spann-Riegel einfach nur stützt.

Victor Louis - 1786

Victor Louis kannte Leupold´s Buch „Theatrum Pontificale“ von seiner Arbeit für den König von Polen.

Eisen-Sandwich-Deckenbalken des Theaters Comédie-Française

Jean Baptiste Rondelet - 1802

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.

Alplionse Duleau - 1820

Duleau verwendet erstmals die Formel b (h³-h1³) / 12 für die Berechnung der Durchbiegung.

Robert Stephenson - 1830

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.

William Fairbairn - 1849

Experimente und Analysen des Ausbeul-Phänomens in 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.

1850 - 1930

Die Geschichte des Transportwesens zu Land, Wasser und Luft steht in enger Verbindung zum Fortschritt in den Materialwissenschaften, den Ingenieurwissenschaften und der Geschichte der Sandwichbauweise.

Isambard Brunel - 1855

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.

Julius Steigel - 1890

Künstliche Waben aus trapezförmig gewellten Lagen zur Bienenzucht.

In einem zweiten Schritt werden diese künstlichen Waben durch ein Tauchbad mit Wachs oder Parafin 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 - 1894

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)

Hans Heilbrun - 1901

Die ersten expandierten Wabenkerne.

Hans Heilbrun erfindet 1901 den Produktionsprozess und die Struktur der expandierten Papierwabe und nutzt sie für dekorative Anwendungen in der Luxuspapierfabrik 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.

Wright flyer - 1903

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.

H?fner 1914

Wabenkerne aus Wellpappe für Sandwichplatten.

Der Wabenkern wird von einem Block aus gestapelten und verklebten Wellpappenbögen geschnitten und für Bauanwendungen genutzt.

Hugo Junkers - 1915

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” (Jungers, 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.

George Henry Jones - 1918

Sandwichkonstruktion mit Furnierdecklagen auf einem mit Parafin impregnierten Balsaholzkern und Hartholzeinsätzen. (Jones Patent 1918)

Theodor von Karman - 1924

Sandwichbauweise mit faser-verstärkten Kunststoffdecklagen

Theodor von Karman und Paul Stock patentieren 1924 eine Sandwichbauweise mit Balsaholzkern und faserverstärkten Polymerdecklagen für Flugzeugstrukturen. Sie verwenden das Phenolharz (Bakelite), das 1907 von Leo Hendrik Baekeland erfunden wurde.

1930 - Heute


George Thomson - 1931

Erste Nutzung expandierter Papierwaben als Sandwichkern.

George Thomson schlug 1930 die Verwendung von dekorativen Papierwaben (die vom Heilburn & 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 ersätzen.

Edward Budd - 1934

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.

Dornier - 1937

Auch Claude Dornier versuchte 1937 das Problem der Waben-Decklagen Verbindung, das Junkers schon hatte, zu lösen.

Er schlug vor Röhrchenwaben und gewellte Metalwaben für Flugzeugstrukturen zu verwenden und durch Einpressen der harten Zellwände des Kerns in die Decklagen die Verbindung herzu-stellen. Durch den plastischen Zustand der Decklagen sollten sich die harten Zellwände in das Decklagenmaterial einbetten

Norman de Bruyne - 1938

Erste Strukturklebstoffe ermöglichen verklebte Sandwichbauteile mit Wabenkern.

Norman A. de Bruyn patentiet 1938 ein manuelles Verfahren zur Wabenherstellung mit harzimprägnierten Geweben für Flugzeugbauteile in Sandwichbauweise.

Norman A. de Bruyn patentiet 1938 ein manuelles Verfahren zur Wabenherstellung mit harzimprägnierten Geweben für Flugzeugbauteile in Sandwichbauweise.

Roger Steele - 1948

Wiedererfindung der expandierten Wabenkerne und ihrer Produktion für Verbundwerkstoffe.

Erste Veröffentlichungen über die mech. Eigenschaften von Sandwichbauweise und Kernwerkstoffen (ARC und NACA, Barwell, Norris u.a. 1945-1950).

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”.

DuPont, Hexcel - 1969

NomexÒ Papierwaben - Waben aus feuerresistentem Aramidfaserpapier NomexÒ, 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.

Guy Ducruy - 1980

Aus der Ebene extrudierte Wabenkerne.

Extrusion von kleinen Wabenblöcken, die zu großen Blöcken verschweißt werden von denen dann die Wabenbögen abge-schnitten werden.

Dietzsch, H?dl, Bauer, Duchene - 1983

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.

Pflug, Verpoest - 1995 - 2005

Waben aus thermoplastischen Folien und Papier, produziert durch schnelle kontinuierliche in-line Faltprozesse.

Entwicklung der ThermHex und TorHex Wabenkerne.

Wellpappenbahn - schnell & kontinuierlich - TorHex Wabenkern

Kosteneffizient kontinuierlich in-line produzierte Wabenkerne und -platten.

Thermoplastische Folienbahn - Schnell & kontinuierlich - ThermHex Wabenkern

Gr?ndung der Firma EconCore - 2005

Lassen Sie uns gemeinsam die Zunkunft der Waben-Sandwichmaterialien gestalten!

Die Zukunft der Produktion thermoplastischer Waben beginnt hier!