Sandwichplatten selbst herstellen (aus Karbon)

Wie kann man erste Erfahrungen sammeln und loslegen

Ich möchte meine Erfahrungen (die vor allem auch durch unzählige Hilfe und regen Austausch hier aus dem Forum stammen) gern mal aufschreiben.

Denn ich möchte künftigen Lesern, wie Sebastian (mein Mentor und Ratgeber) es auch mit seinen unzähligen Beiträgen tut, gern die Angst davor nehmen, ein solches Projekt in Angriff zu nehmen. Es ist gar nicht so schwer ...

Ich zeige dies zunächst anhand von Probierstücken, für die Theorie und das allgemeine Vorgehen.

(Für mich sind das derzeit Übungen, bevor ich mich an meine echten Wände für eine Kabine herantraue)

Was braucht es:

• Sandwich:
  • Deckschicht: Karbongewebematten (oder Glasfasergewebematten)
  • Kern-Material: Holz, PU-Schaum, XPS, Wabenplatten, etc ... je nach Einsatzzweck
  • "Kleber" (hier Epodydharz)

• zur Fertigung:
  • Lochfolie (Folie mit ganz feinen Perforationen / Mikro-Löchern)
  • SaugVlies (nimmt das überflüssige Harz beim Vakkumieren (Pressen durch den Luftdruck unserer Atmosphäre)
  • Vakuum-Folie (idealerweise als Schlauch, weil weniger Öffnungen abzudichten sind, für Vakuum)
  • Vakuum-Pumpe
  • doppelseitiges Klebeband oder Dichtgummiband (oder Dekasil 8936 / 1512)

(Aufbau der Lagen (v.u.n.o.): Vakuum-Schlauch (hier gleich als Kleckerunterlage zum Einstreichen mit Epoxy verwendet) ← Vlies ← Lochfolie ← Karbongewebe(lage/n) ← Kern → Karbongewebe(lage/n) → Lochfolie → Vlies)

Werkzeug:

• Waage (für kleine Grammzahlen)
• Pinsel / Roller
• Gefäß zum Anrühren + Umrührstab ← ich verwende günstige Plastik-Trinkbecher (für kleinere Mengen gut geeignet, für große Platten nachher zu klein)
• gerade Tischfläche (oder Fußboden)

Vorbereitungen:

• Kern zuschneiden
• Karbonmatten, Lochfolie, Vlies zuschneiden - entsprechend das Kernmaterials
• alles zurechtlegen, auch Werkzeug ... (denn nach dem nächsten Schritt muss es schnell gehen)

• Epoxydharz anrühren (2 Komponenten - hier im Verhältnis von 100 zu 30 Teilen; erst den Härter einfüllen (30 Teile), exakte Masse für die 2. Komponente entsprechend hochrechnen per Taschenrechner ... und das Harz (100 Teile) hinzugießen)

Sandwich bauen:

1. Seite bauen

Kernmaterial einseitig mit Epoxydharz-Mischung einstreichen (mit Pinsel oder Rolle), so, dass alles ausreichend benetzt ist.

1. Lage Karbongewebe darauf legen, ebenfalls mit Epoxy einstreichen, bis es überall gleichmäßig durchschimmert - dies ist das Zeichen, dass alles ausreichend in Epoxy getränkt ist. Nur so klebt alles sauber am Ende zusammen und es ergibt sich vor allem eine glatte Oberfläche - ohne, dass die KarbonFasern frei liegen (Instabilität des Sandwich).

2. ... x. weitere Lagen Karbon ebenfalls auflegen und einstreichen ... (je nach Steifigkeits-Anforderung an das Sandwich)

3. wenn das Sandwich entsprechend dick ist, kommen zuletzt die "Vakuum-Schichten" darauf, für den Fertigstellungsprozess:

• Lochfolie ← möglichst ohne Falten auflegen; diese Schicht verleiht dem Sandwich am Ende eine glatte Oberfläche

• SaugVlies ← das durch die Lochfolie durchkommende Harz wird hier aufgenommen und somit "abtransportiert"

2. Seite bauen

nun drehen wir den ganzen Block herum (bei großen Platten wird nur einseitig laminiert, die zweite erfolgt dann als komplett getrennter Schritt - nach dem Aushärten, also nach dem Vakuumieren und Abtrocknen) ... und starten mit der anderen Seite genau so wieder.

Tipps vom Profi:

Bei dünnen Kernen, kann sich die Sandwichplatte im Foliensack verbiegen. Tipp: Folie auf einer glatten (luftdichten) Tischplatte rundherum verkleben oder eine stabile Platte mit in den Foliensack (idealerweise in Vakuumfolie als Trennschicht eingewickelt) legen - sodass diese stabile Schicht ein Verbiegen verhindert.

Bei weichen Schaumplatten als Kern drückt das Vakuum die Ränder herunter. Tipp: zusätzliche Kanten aus härterem Material (Schaum, leichtes Holz, PVC, etc.) als Kernmaterial mit einlegen - ringsherum als Abschlussleiste in der selben Dicke wie der Schaumkern; somit sind beide Seiten geschützt und werden nicht rund gedrückt.

3. Vakuumieren

Die (ein- oder) beidseitig bestrichenen / belegten Flächen werden nun in den Vakuum-Schlauch gestreckt. Die Vakuumfolie liegt also unter- und oberhalb vom Sandwich.
(Oder unterhalb ist eine nicht luftdurchlässige Tischplatte (die entsprechend mit Wax vor Aufnahme von Harz geschützt ist).)

Alle offenen Seiten der Folie werden nun verschlossen (bis auf ein kleines Ende für den Vakuum-Schlauch der Pumpe):

• entweder mit Dichtmasse, doppelseitigem Klebeband, Dekasil, etc... (es braucht hier keine extrem klebrigen Materialien; meine Erfahrung zeigt, dass billiges Teppichklebeband völlig reicht - weil es schön leicht wieder ab geht und die Folie an den Klebestellen nicht zerreißt/zu stark dehnt - sie also wiederverwendbar ist)

• oder durch mehrfaches umklappen und dann mit Schraubzwingen und zwei Brettern festklemmen
• ... hauptsache es ist absolut dicht!

Wichtig: die Vakuumfolie so trappieren, dass sie genügend "Material" hat, um sich überall fest um alle Teile zu schließen, also die Dicke des Materials auch überwinden muss. Liegen Teile sehr eng beieinander, muss sich die Folie stark dehnen, um sich fest anzuschmiegen. Dies kann zu Einrissen führen → Vakuum kann nicht entstehen. Hier im Bild sieht man schön, wie die Folie (zw. den Teilen) bis ganz nach unten wandern muss, um komplettes Vakuum zu erzeugen.

... wie hier im Bild ist ein Loch gewesen (zu scharfe Kanten) ... was dann später geflickt werden musste (dafür eignet sich das Gummidichtband oder Dekasil super gut):

Zuletzt wird der Schlauch der Vakuumpumpe eingesetzt. Bis zum Schlauchende in der Vakuumfolie noch ein wenig Vlies legen - somit kann die Luft besser entweichen, ohne, dass es einfach das Loch im Schlauch mit Folie verstopft.

Um diese Stelle abzudichten empfiehlt sich wirklich Gummimasse, Gummidichtband oder eben Dekasil (Butylklebemasse), nur so ist es absolut dicht um den runden Schlauch zu bekommen.

Vakuumpumpe anschalten. ... und warten.

Man sieht sehr schnell, dass es alle Luft aus der Folie zieht.

Nun gilt es aufpassen und korrigieren!

Die Folie sollte überall faltenfrei liegen, es drückt sonst Unebenheiten in die Sandwich-Oberfläche.

Nochmals zuletzt die Folie so gut es geht zurecht rücken, dass sie ausreichend Fläche hat, überall dicht anzuliegen.

→ Dann auf die Anzeige der Vakuumpumpe schauen: es sollten nahezu -0,8 Bar erreicht werden. Das kann eine ganze Weile dauern.

Sofern es nach ca. 10-20 min. noch immer weniger als 0,6 Bar sind ... ist irgendwo eine undichte Stelle

... dann geht das Suchen los: mit dem Ohr ganz dicht um die Kante "laufen" ... irgendwo sollte ein leises Zischen zu hören sein. Dies muss gestopft werden.

... auch an scharfen Kanten der Sandwichteile mit dem Ohr prüfen. Auch hier können ganz feine leise Geräusche wahrnehmbar sein (nur sehr dicht mit dem Ohr über der Vakuumfolie zu hören - bei laufender, lauter Pumpe)

Nach einer Weile zieht es schon die ersten Harz(Überreste) in den Vlies:

Sind die 0,8 Bar Unterdruck erreicht, ist alles gut. Dann reicht anfänglich immer mal zu checken, ob dem noch so ist. Ansonsten lässt man alles in Ruhe vor sich hinarbeiten ... für 12/13 Std. (bei Zimmertemperatur).

Danach einfach die Pumpe ausschalten, ansonsten nichts verändern. Nun kommt langsam wieder Luft in das System ... jedoch bleibt die Folie und vor allem das Vlies und die Lochfolie weiterhin schön glatt am Sandwich anliegend. Dies ist wichtig, für eine faltenfreie, glatte Aushärtung der Deckschicht - schöne optische Oberfläche am Sandwich.

Nach ca. 1-2 Tagen ist alles vollständig ausgehärtet und die Vakuumfolie sowie Vlies und Lochfolie können (von beiden Seiten) entfernt werden. ← wenn die Lochfolie schön schwer abgeht (auch hier und da zerreißt, dann ist alles sehr gut und unter viel Druck perfekt ausgehärtet - ja: das entfernen der Lochfolie ist dann eine echte "Zerreißprobe" - es gibt sehr viele kleine Fäden, die es zu entfernen gilt; ich nehme dafür eine kleine Drahtbürste oder - falls eh später gestrichen werden soll, geht es auch mit Schleifpapier)

Man kann das Ergebnis nun in den Händen halten ... und schon ein wenig Stolz sein, auf sein erstes Sandwich-Panel.

Stufe II - Profile bauen - als Verstärkung diverser Bauteile

Profile, in jedweder Form, sind super sinnvoll, um mehr Steifigkeit in bestimmte Baugruppen oder Bereiche einer Platte zu bekommen.

Ich verwende diese vor allem an folgenden Stellen:

• in der Bodenplatte (als Querträger und Ersatz für einen Zwischenrahmen)
• an Ecken, wo Fenster, Türen, Panoramaklappen, Aufstelldächer ... und sonstige große Öffnungen entstehen sollen
• an Punktlasten, wo z.B. Gasdruckfedern oder Scharniere große Lasten auf einer geringen Fläche aufnehmen (sofern dies nicht mittig in einer planen Fläche der Fall ist - was über Inlays zu realisieren wäre)

Die Vorgehensweise ist dem normalen Sandwich–Plattenbau quasi identisch. Die Unterschiede möchte ich anhand eines L-Profils mit Kern-Verstärkung skizzieren:

Anforderung: Für die Bodenplatte möchte ich ein Vierkant als Verstärkung (Prävention des Durchbiegens) einbringen. Gleichzeitig möchte ich dort eine Lippe anbringen, die die Befestigung der ganzen Kabine am Fahrzeuggestell ermöglicht. Üblicherweise verwenden die Aufbauhersteller hier Alu-Flachstäbe oder L-Profile. Beides ist sehr schwer, biegt sich stark durch und hat vor allem sehr hohe Ausdehnungskoeffizienten (was Karbon und PU-Schaum kaum haben).

Diese Nachteile kann ich umgehen, indem wir Karbon-Vierkant-Profile (mit L-Lippe) selbst herstellen.

Aufbau (Allgemein)

Wie im Bild oben zu sehen, hat dieses L-Profil mit PU-Kern eine sehr dicke Schicht von Karbon. Diese entsteht durch sehr viele Lagen Gewebe/Gelege) = ca. 10-12 Lagen = ca. 0,5 - 1,0 cm Dicke (je nach Dicke der Karbonfasermatten (200g bis zu 800g gibt es zu kaufen)).

Mein Aufbau:

2x Karbon-Gewebe (200g/m²) + 10-12x Karbon-Gelege (uni-directional - die Fasern entlang der langen Seite des Trägers ausgerichtet für bestmögliche Zugsteifigkeit) umwickeln den Kern vollständig und laufen dann als Lippe zu einer Seite (im Bild links), um das L-Profil zu erzeugen.

Formenbau:

Um eine solch stabile und vor allem hochfeste Endform zu erzeugen ist mir (und meinem Mentor Sebastian) ein Vakuum nicht ausreichend, daher wird eine Form gebaut und in dieser Form das Endprodukt eingepresst und somit sehr stark komprimiert, sodass alle Lagen bestmöglich zu einer Einheit verschmelzen. (die einzelnen Lagen kann man oben im Bild an der Schnittkante nicht mehr erkennen)

Tipps für den Formenbau:

• es braucht unzählige Schraubzwingen !
• es braucht eine sehr stabile Form = entsprechende Materialdicke/-steifigkeit (sodass nach dem Festspannen mit Schraubzwingen keine Beulen und Dellen im Formwerkstoff durch den enormen Druck entstehen)
• die Form muss vormontiert, dann wieder gelöst werden können
• sie muss "variabel" sein, um die Kabon-Gewebe gut und knitterfrei einlegen zu können, den Kern noch gut einschieben zu können und dennoch am Ende genügend Druck über die Schraubzwingen erzielen zu können → Tipp: an mindestens zwei Seiten der Form variable Elemente verwenden, die nur über die Schraubzwingen Druck erzeugen; aber das Einlegen des Karbon erleichtern.
• Berechnung der exakte Dimension von Kern + Karbon-Lagen-Gesamtdicke ist nötig für exakten Druckaufbau am Ende

Meine Form waren simple Holzreste, nicht all zu dick, dafür hier und da doppelt genommen.

Ich habe zunächst ein L-gebaut und beide Elemente fix verschraubt (= Rückseite des L-Profils - gegenüber des eigentlichen "L").
Für das eigentliche "L" des Profils habe ich einen Block aus verschiedenen Reststücken zusammengeschraubt - um die exakte Höhe zu erhalten und vor allem ausreichend Steifigkeit in die spätere Druckrichtung.

Dann kamen oben (an der Unterseite des "L") noch zwei Holzplatten drauf - nur über die Schraubzwingen fixiert. Hier im Bild steht das L also auf dem Kopf.

Karbonmaterial vorbereiten

Zunächst werden - wie im normalen Vakuumieren auch - alle benötigten Materialien wieder zugeschnitten (exakte Längenberechnung und vor allem Faserausrichtung sind hier wichtig zu berücksichtigen)

Wie oben geschrieben habe ich ca. 10 Lagen Karbon-Gelege verwendet (wo also alle Fasern nur in eine Richtung laufen)

Dazu zwei Lagen Gewebe (ein wie Stoff gewebtes Material, wo im 90° Winkel die Fasern gegenläufig verwebt werden) ← diese kommen ganz außen hin (um die Karbon-Gelege während der Verarbeitung besser zu fixieren - oder für schönere Optik, wer das am Ende sichtbar lassen möchte)

Wichtig: Für Karbon-Gelege: Faserrichtung beachten: Fasern sollten immer entlang der Zugrichtung verlaufen. Bei einer sich durchbiegenden Boden-Verstärkung also direkt entlang der Länge des Profils.

1. Epoxieren

• Vakuumfolie kommt als Arbeitsunterlage direkt nach unten auf den Tisch.
• darauf eine Lage Vlies, darauf eine Lage Lochfolie
• darauf ein Lage Abreißgewebe (ein spezielles Material, was auch sehr leicht vom Epoxy später zu trennen ist, aber eine raue Struktur auf der Oberfläche hinterlässt ← sehr wichtig für späteres Weiterverkleben des Profils in den eigentlichen Sandwichboden)
• Dann die Karbonlagen (Wichtig: die Gewebe zuerst (weil außen), dann die ganzen Lagen Gelege)

2. in Form bringen

Diese ganzen Schichten dann in einem Stück auf die offene Form legen und überall stückweise eindrücken, dann die dritte Seite mit der Pressform schließen und schon leicht fixieren.

Dann den Kern einlegen - und mit gaaaaanz viel Epoxy volllaufen lassen, sodass alle Lücken und möglichen Luftbläschen möglichst gut ersetzt werden.

Dann die vierte Seite der Form schließen - und anpressen.

Schrittweise alle Schraubzwingen ringsherum anziehen - so fest es geht. (Meine geringe Erfahrung zeigt, hier kann man kaum zu doll verzwingen - bei gleichmäßigem Druck von allen Seiten kann auch der Kern kaum in seiner Offenporigkeit zu stark komprimiert werden)

Die ganze Form so drehen, dass das überschüssige Harz entweichen kann - daher hab ich meine auf den Kopf gestellt, sodass es am "L" entweichen kann; an den Randenden sowieso. ← Vakuumfolie unterlegen, um keine Sauerei auf dem Tisch oder Boden später zu haben

Tipp:

• Vakuumfolie ausreichend groß dimensionieren, damit auch keine Schraubzwinge oder Holzform-Enden daran festkleben
• die Lochfolie, Vlies und Abreißgewebe möglichst ohne Falten - vor allem an den Überständen auslegen - das erleichert später das "Abreißen"/ Trennen
• man braucht sehr viel Harz. Epoxy geht hier sehr viel drauf - nicht zu vergleiche mit normalen 2-lagigen Sandwichplatten

Diese Form nun bei Zimmertemperatur ca. 2 Tage stehen lassen. Danach ist das Epoxy vollständig ausgehärtet und die Form kann stückweise zurückgebaut werden.

Hierbei kann man feststellen, dass vor allem an den überlappenden Kanten ein Entfernen der Materialien nicht so leicht ist; und auch auf den glatten Karbonflächen das Fließ, Lochfolie, Abreißgewebe sehr gut haften und nur mit ganzer Kraft zu entfernen sind. (Je schwerer, desto besser ist der Verbund verdichtet worden - so mein Eindruck)

(Hier sieht man schön, wie "gut" die Lochfolie am Karbon/Epoxy haftet ... und beim Ablösen komplett ausfranst. nervig, dafür aber guter Verbund der Materialien)

Am Ende hält man ein stark ausgefranstes Bauteil in der Hand, welches man ringsum noch auf Maß sägen kann, dann etwas die Kanten entkraten (normales Schleifpapier) und fertige ist ein sau stabiles Werkstück.

(Man sieht hier noch die Fransen am Rand - vom Laminieren)

(hier sieht man schön die matte Oberfläche des Werkstücks - diese entsteht durch das Abreißgewebe)

Meines wiegt gerade mal 1,8kg (bei einer Länge von ca. 1m und 5x5 Außenmaße des "Würfels" und einer Schenkellänge des "L" von ebenfalls 5cm. (bei 10-12 Lagen Karbon á 200-300g/m²) → das wäre ca. 4kg pro QuerTräger ... bei mir mit 5 Trägern sind das nicht einmal 20kg.

Zur Steifigkeit: Wenn ich diesen Träger nur an beiden Enden auflege, biegt er sich bei einer kurzzeitigen Lastspitze von ca. 100kg um max. 4mm durch.

Nimmt man nun ein Gesamt-Kabinengewicht von max. 400kg an, bei 5 (allerdings fast doppelt so langen) Trägern, sollte man somit eine enorm hohe Biegefestigkeit damit erreichen.

Ich bin zufrieden.