Homepage > Aluminium > Artikelen > Aluminium honingraatstructuren: als het licht en toch sterk moet zijn
Aluminium honingraatstructuren: als het licht en toch sterk moet zijn
Hoewel nog steeds een dankbare gebruiker, vormt de vliegtuigindustrie allang niet meer het exclusieve toepassingsgebied van aluminium constructiedelen gebaseerd op een honingraatstructuur. Niet onlogisch, gezien de gunstige verhouding tussen sterkte en stabiliteit enerzijds en gewicht anderzijds. Inmiddels weten ook andere sectoren, zoals de automotive en de treinenbouw, deze optimale combinatie naar waarde te schatten. Ook voor producten buiten de transportsector bieden aluminium ‘honeycombs’ interessante perspectieven.
Hans Koopmans
‘Honingraatstructuren’ is een verzamelterm voor lichtgewicht- halffabrikaten gebaseerd op de zeskant- of hexagonale vorm. Ze zijn inmiddels in veel uitvoeringen verkrijgbaar, vervaardigd van uiteenlopende materialen als thermoplastische kunststof, glasvezel, geïmpregneerd papier en - niet in de laatste plaats - aluminium. De open honingraatstructuur verschaft sterkte en stabiliteit bij minimaal materiaalgebruik; daarnaast kan gebruik worden gemaakt van de mogelijkheden om lucht of gassen toe te laten treden, door te laten stromen of af te buigen. Belangrijk is voorts de energieabsorberende capaciteit. Ook geven onderdelen op basis van honingraatstructuren, zoals sandwichpanelen, producten ‘volume’. Aluminium is een voor de hand liggend materiaal voor de productie van constructiedelen als vloeren, wanden, panelen en deuren voor toepassingen waarbij een licht gewicht in combinatie met sterkte een vereiste is, omdat het van zichzelf al licht is. Bovendien voegt aluminium naast deze eigenschappen ook nog corrosievastheid toe. Het verbaast dan ook niet dat aluminium honingraatstructuren het eerst in de vliegtuigbouw werden toegepast.
Twee productietechnieken
De productie van aluminium ‘honeycomb’-structuren is in wezen simpel. Vanaf een rol wordt een aantal platen van gelijke lengte afgeknipt of gesneden en m.b.v. een soort drukproces voorzien van lijmpunten in regelmatige, maar verspringende patronen. Deze dunne, voorgelijmde platen worden vervolgens gestapeld tot een zg. HOBE-blok (HOneycomb Before Expansion). Daarna zijn er twee mogelijkheden: ofwel dit platenpakket wordt in zijn geheel uiteengetrokken en daarna in delen met de gewenste dikte gesneden, ofwel het blok wordt eerst in delen gesneden en daarna geëxpandeerd. Door het uiteentrekken ontstaat de gewenste open structuur (afb. 1).
De mate van expansie bepaalt de uiteindelijke celvorm: regelmatige zeshoeken, zeszijdige ‘diamantvormen’ (bij onderexpansie) en ‘bijna rechthoeken’ (bij overexpansie). Tenslotte worden de geëxpandeerde platen op de juiste lengte en breedte gesneden. Een andere methode is rolvormen: folie of plaat wordt van een rol af tussen twee identieke walsen gevoerd, voorzien van groeven die de gewenste golfvorm in het materiaal aanbrengen. De gegolfde platen worden vervolgens van lijm voorzien en gestapeld. Het zo ontstane blok wordt vervolgens gesneden in halffabrikaten van de gewenste dikte (afb. 2). Afbeelding 3 laat van deze methode een verkleinde uitvoering zien. Het rolvormen wordt vooral toegepast voor halffabrikaten van een hogere dichtheid.
Sandwichpanelen
Aluminium honingraatstructuren vinden in de transportmiddelenindustrie veel toepassing als onderdeel van sandwichpanelen voor vloeren, schotten, wanden e.d. De honingraatstructuur met een dikte van enkele tientallen millimeters is daarbij opgesloten tussen twee aluminium huidplaten van slechts ca. 1 mm dik (afb. 4). Een dergelijk paneel ontleent zijn sterkte aan het feit dat de beide huidplaten zich op relatief grote afstand van de zg. neutrale lijn bevinden. Op de neutrale lijn gaan de trekkrachten in drukkrachten over wanneer de plaat op buiging wordt belast. Uit de statica weten we dat het weerstandsmoment kwadratisch toeneemt met de totale dikte van het profiel. Dit is de reden dat bijvoorbeeld bij een I-profiel een groot deel van het profieloppervlak op een zo groot mogelijke afstand van de neutrale lijn wordt gebracht, waarmee een grote buigweerstand wordt gerealiseerd. Bij sandwichpanelen zoals zojuist beschreven, wordt door de open honingraatstructuur met relatief weinig materiaal (dat door het gebruik van aluminium op zichzelf al weinig weegt) een grote afstand tussen de huidplaten, en daarmee een groot weerstandsmoment gecreëerd. Daardoor, zo luidt de vuistregel, kan met sandwichpanelen een factor tienmaal zo licht worden geconstrueerd bij een gelijkblijvende sterkte. Tabel 1 geeft globale waarden voor de relatieve stijfheid, sterkte en het gewicht voor massief plaatmateriaal en sandwichconstructies van verschillende diktes die veelzeggend zijn. Hieruit blijkt dat een grote tot zeer grote verhoging van stijfheid en sterkte al met een geringe gewichtsverhoging zijn te realiseren. Formules waarmee je aan de hand van parameters (dikte en grofheid van de honingraatstructuur en de dikte van de huidplaten) de sterkte kan afleiden, zijn er niet. Veelal wordt de sterkte proefondervindelijk vastgesteld; deze hangt immers ook af van de wat minder exact beheersbare productiefactoren zoals de wijze waarop de huidplaten aan de honingraat worden verbonden (naast lijmen worden ook lassen en solderen toegepast). Voor nadere inlichtingen over de sterkte-eigenschappen van sandwichpanelen op basis van aluminium honingraatstructuren moet men zich wenden tot de leverancier.
Celconfiguraties
De standaarduitvoering van een honingraatplaat is op basis van regelmatige zeshoeken (afb. 5). Deze wordt het meest toegepast bij aluminium sandwichpanelen, volumetoepassingen, wanden, vloeren enz. Zoals al is aangegeven leidt een overexpansie tot een min of meer rechthoekige celvorm (afb. 6) waardoor onderdelen op basis hiervan in de lengterichting gemakkelijk gebogen of getordeerd kunnen worden (afb. 7). Een derde mogelijkheid, op de markt gebracht door de Amerikaanse in Californië gevestigde fabrikant Hexcel, is de ‘Flex-Core variant (afb. 8). Deze geeft een uitstekende vervormbaarheid in samenstellingen met gebogen delen e.d., zonder dat de cellen beschadigen of ingedeukt worden. Daarbij kunnen ook kleine buigradii toegepast worden; de weerstand tegen scheuren is aanzienlijk groter dan bij de standaard hexagonale cellen van gelijke dichtheid. Van de bijzondere configuraties noemen we nog de door Hexcel op de markt gebrachte ‘Tube-Core’ (afb. 9), een configuratie met bijzondere energie-absorberende eigenschappen wanneer de toepassing slechts ruimte biedt aan een cilindervorm met geringe diameter. Het ontwerp voorkomt verlies aan breuksterkte waarvan sprake is bij de niet ondersteunde zijkanten van een conventionele honingraatstructuur. Tube-Core is opgebouwd uit afwisselende lagen van vlakke aluminium folie en gerolvormde aluminium folie gewikkeld rond een doorn en door lijm verbonden.
Anti-corrosiecoating
Bij de toepassing van aluminium halffabrikaten op basis van honingraatstructuren als constructiemateriaal zijn de volgende eigenschappen* van belang:
materiaalsoort;
celgrootte;
legering;
foliedikte en
dichtheid.
Hexcel, de grootste fabrikant van honingraat-halffabrikaten met meer dan 700 verschillende (vaak op klantenwens ontwikkelde) basisproducten, biedt zijn standaard honeycombs aan met twee verschillende corrosiewerende coatings. De CR III corrosiewerende coating bestaat uit een chromaatgebaseerde beschermende laag en een organisch-metallische polymeer. Naast deze coating is er de CR-PAA-anodiseerlaag op basis van fosforzuur. Voor kritische toepassingen verdient deze coating de voorkeur vanwege zijn hechtingseigenschappen bij aluminium in sandwichpanelen, de corrosiewerendheid onder zware condities (zoutsproeitest, hoge en lage temperaturen) en de weerstand tegen scheurvoortplanting.
Legeringen
Hexcel biedt aluminium honingraatplaten aan in vier verschillende legeringen, de luchtvaartkwaliteiten 5052 en 5056 en de commerciële kwaliteiten 3104 en 3003. De aluminiumlegering 5052 H39 is geschikt voor algemene toepassingen en beschikbaar in een breed programma van celgrootte/dichtheid combinaties. Deze legering is bovendien in verschillende configuraties, waaronder Flex-Core en ‘ondergeëxpandeerd’, verkrijgbaar. De legering 5056 H39 biedt een ca. 20% hogere sterkte dan type 5052. Ook deze legering is verkrijgbaar in vele celgrootte/dichtheid combinaties en celconfiguraties. Tenslotte zijn er nog de commerciële kwaliteiten voor low-cost industriële toepassingen. Al deze Aluminium Commercial Grade (ACG) materialen zijn voorzien van de CR III-coating. Hexcel vervaardigt ACG-honeycombs uit aluminiumlegeringen 3000. Legering 3003 wordt gebruikt voor toepassingen waarbij het aankomt op energie-absorptie.
* De Amerikaanse aanduiding van een bepaald type volgens Hexcel, luidt bijvoorbeeld: CR III - 1/4 -5052 - .002N - 4.3. Daarbij geeft CR III aan dat er een corrosiewerende coating is toegepast, de celgrootte 1/4” bedraagt, aluminiumlegering 5052 is gebruikt, terwijl de nominale dikte van de folie 0,002” bedraagt (0,05 mm). De aanduiding ‘N’ staat voor niet geperforeerd materiaal en de dichtheid (in ponden per kubieke voet) bedraagt 4,3 oftewel bijna 70 kg/m3.
Schrijf je hier in voor de wekelijkse Nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium Roestvast en Staal branche!
