Ein Sandwich funktioniert wie ein Doppel-T-Träger: Zwei dünne Decklagen (die tragenden Laminathäute) nehmen Zug und Druck auf, ein leichter Kern hält sie auf Abstand und überträgt die Schubkräfte. In der Fläche trägt er kaum Last. Damit hängt die Tragfähigkeit an Größen, die im Volllaminat keine Rolle spielen: Schubmodul, Druckfestigkeit und Anbindung des Kerns. Die vorgelagerte Grundsatzfrage klärt der Vergleich Sandwich oder Volllaminat.
Wie stark der Kern wirkt – und wie er falsch gerechnet wird
Die Faustformel „Die Biegesteifigkeit wächst mit der dritten Potenz der Dicke“ gilt für den homogenen Querschnitt – für ein Volllaminat, das insgesamt dicker wird. Beim Sandwich bleiben die Deckschichten dünn und gleich dick; fast die gesamte Biegesteifigkeit stammt aus dem Steineranteil, und der wächst mit dem Quadrat des Abstands der Deckschicht-Mittelebenen. In der Darstellung des Wabenherstellers Hexcel bringt ein Kern von der Dicke der Ausgangsplatte das Siebenfache an Biegesteifigkeit und das 3,5-Fache an Biegefestigkeit bei rund drei Prozent Mehrgewicht, ein dreifach dicker Kern das 37-Fache bei etwa sechs Prozent. Der Sprung von 7 auf 37 stammt nicht aus der Kerndicke selbst, sondern aus dem Abstand der Deckschicht-Mittelebenen: Er wächst in dieser Darstellung von 1,5 auf 3,5 Deckschichtdicken, und das Quadrat dieses Verhältnisses hebt die Steifigkeit vom Sieben- auf etwa das 37-Fache. Die dreifache Kerndicke allein würde nur den Faktor 9 hergeben.
Gegenläufig wirkt die Schubweichheit des Kerns. PVC-Hartschaum mit 80 kg/m³ hat nach dem Datenblatt von DIAB einen Schubmodul von 27 N/mm² (1 N/mm² entspricht 1 MPa). Das Deckschichtlaminat kommt in der Ebene auf rund 20.000 N/mm² Zug- und Druckmodul, also gut das Siebenhundertfache; selbst sein Schubmodul in der Ebene liegt mit 3.000 bis 4.000 N/mm² noch mehr als hundertfach darüber. Bei kurzen Stützweiten und dicken Kernen stammt deshalb ein erheblicher Teil der Durchbiegung aus der Schubverformung des Kerns – wer nur die Biegesteifigkeit ansetzt, liegt auf der unsicheren Seite.
Die vier Versagensarten des Sandwichs
- Deckschichtknittern (Wrinkling): Die gedrückte Deckschicht beult kleinflächig in den Kern hinein. Nach der Näherung von Hoff und Mautner beträgt die kritische Spannung 0,5 mal die dritte Wurzel aus Deckschicht-E-Modul mal Kern-Druckmodul mal Kern-Schubmodul. Mit DIAB-Datenblattwerten und 20.000 N/mm² Deckschichtmodul – erreichbar mit Glasgewebe aus der Infusion bei 50 bis 60 Prozent Faservolumengehalt – ergibt das rund 123 N/mm² für Divinycell H45, 182 N/mm² für H80 und 277 N/mm² für H130: fast dreifache Kerndichte, nur gut doppelte Knittersicherheit.
- Schubversagen des Kerns: Querkraft geteilt durch Breite mal Deckschichtabstand ergibt überschlägig die Schubspannung. Ein 20 mm dicker H80-Kern versagt danach bei rund 23 kN je Meter Breite, gerechnet mit dem Nominalwert der Schubfestigkeit (1,15 N/mm²) – mit dem von DIAB garantierten Mindestwert (0,95 N/mm²) schon bei 19 kN. Derselbe Aufbau mit H45 kommt auf 11 beziehungsweise 9 kN. Das sind Bruchwerte ohne Sicherheitsbeiwert und ohne Kriechanteil; die zulässige Dauerlast liegt deutlich darunter. Hier entscheidet die Kerndichte, nicht die Deckschicht.
- Lokale Eindrückung: Punktlasten treffen allein die Druckfestigkeit des Kerns. H80 hält 1,4 N/mm²; eine Auflagefläche von 10 mal 10 mm trägt rund 140 N, bevor der Schaum bleibend nachgibt.
- Ablösen der Deckschicht: Harzarme Klebefuge, Lufteinschlüsse, Trennmittelreste oder ein thermisch überforderter Kern führen zur Delamination – der Versagensart, die sich von außen am schlechtesten erkennen lässt.
Kernwerkstoffe im Zahlenvergleich
Die Dichte ist die Leitgröße: Mit ihr steigen Druck- und Schubfestigkeit annähernd proportional, Gewicht und Preis ebenso. Für sich allein sagt sie wenig – erst zusammen mit Schubmodul und Temperaturgrenze wird sie brauchbar.
| Kern (Beispieltyp) | Dichte | Druckfestigkeit | Schubfestigkeit / Schubmodul | Temperatur (mit Bezugsgröße) | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|---|---|
| PVC-Hartschaum (Divinycell H80) | 80 kg/m³, Reihe 48–250 (acht Stufen) | 1,4 N/mm² | 1,15 / 27 N/mm² | Dauereinsatz −200 bis +70 °C; Prozess max. 90 °C; Wärmeformbeständigkeit 125 °C | Boots- und Fahrzeugbau |
| PVC-Hartschaum, dicht (Divinycell H130) | 130 kg/m³ | 3,0 N/mm² | 2,2 / 50 N/mm² | Dauereinsatz −200 bis +70 °C; Prozess max. 110 °C; Wärmeformbeständigkeit 125 °C | belastete Zonen, Auflager |
| SAN-Schaum (Gurit Corecell M100) | 107,5 kg/m³, Reihe 65–200 (M60 bis M200) | 1,55 N/mm² | 1,45 / 41 N/mm² | Wärmeformbeständigkeit 110 °C (DIN 53424) | Bootsbau mit Schlaglast |
| PET-Schaum (Airex T92) | 60–280 kg/m³ | rund 1,4 N/mm² bei etwa 110 kg/m³ | je Typ, siehe Datenblatt | Dauereinsatz bis 100 °C; Verarbeitung bis 150 °C | Windenergie, Verkehr |
| PMI-Schaum (Rohacell 71 IG) | 75 kg/m³, Reihe 32–110 | 1,5 N/mm² | 1,3 / 29 N/mm² | Wärmeformbeständigkeit 180 °C; Infusion und RTM laut Evonik bis 130 °C | Prepreg, Autoklav, Luftfahrt |
| PU-Hartschaum (RG-Typen) | 30–200 kg/m³ | meist keine Sandwich-Kennwerte publiziert | – | Anwendungstemperatur −80 bis +140 °C | Urmodelle, Auftrieb, Isolierung |
| Balsa-Hirnholz (Baltek SB.100) | 153 kg/m³, Reihe 94–247 (SB.50 / SB.100 / SB.150) | 12,9 N/mm² | 3,0 / 160 N/mm² | Einsatz −212 bis +163 °C; Prepregverarbeitung bis 180 °C | Decks, Rotorblätter |
| Aramidwabe/Nomex (ECA-I 3.2-48) | 48 kg/m³, Reihe 24–144 | 1,9 N/mm² (stabilisiert) | längs 1,16 / 34, quer 0,62 / 20 N/mm² | Einsatz bis 180 °C | Luftfahrt, Motorsport |
| Aluminiumwabe | 20–123 kg/m³ | 0,4–7,7 N/mm² je nach Zellweite | – | Einsatz bis 180 °C | Luft- und Raumfahrt |
Nominalwerte nach Datenblättern von DIAB, Gurit, Evonik, 3A Composites, Euro-Composites und CEL Components; die Angaben zum PU-Hartschaum der RG-Typen nach Händlerdatenblättern. 1 N/mm² = 1 MPa; reale Platten streuen um diese Sollwerte.
Was aus den Zahlen folgt
Drei Ablesungen lohnen sich. Balsa: Baltek SB.100 erreicht mit 153 kg/m³ eine Druckfestigkeit von 12,9 N/mm² und 160 N/mm² Schubmodul – Werte, die selbst der dichteste PVC-Schaum der Divinycell-H-Reihe mit 250 kg/m³ (7,2 und 97 N/mm²) verfehlt. Wo Druck- und Schubsteifigkeit zählen und Feuchte beherrschbar bleibt, ist das Naturprodukt konkurrenzfähig. Wabe: Die 48-kg/m³-Aramidwabe liegt mit 1,9 N/mm² Druckfestigkeit und 34 N/mm² Schubmodul in Bandrichtung auf dem Niveau von Divinycell H100 (2,0 und 35 N/mm²), bei knapp der halben Dichte – quer zur Bandrichtung aber nur bei 20 N/mm². Sie verlangt Klebefilm oder Prepreg und lässt sich nicht offen infundieren; die Abwägung führt Schaumkern oder Wabenkern aus. PMI: Rohacell 71 IG liegt mechanisch nahe bei H80, gehört aber zur teuersten Schaumklasse – gekauft wird die Wärmeformbeständigkeit von 180 °C.
Harzaufnahme: der Gewichtsposten, den kaum jemand einplant
Für die Vakuuminfusion und für gewölbte Flächen werden Kernplatten gerillt, perforiert oder beides – und jeder Schnitt füllt sich mit Harz. R&G nennt für die gitterförmig eingeschnittene Divinycell-H80-Platte ein Raster von 30 mm in beiden Richtungen bei rund 0,9 mm Rillenbreite; die Rillen reichen bis etwa 2 mm an die Gegenseite. Auf 20 mm Plattendicke hochgerechnet ergibt das rund 1,06 Liter Rillenvolumen je Quadratmeter, also gut 1,2 kg Harz ohne Tragwirkung. Flache Infusionsrillen von etwa 2 mal 2 mm binden weniger, erlauben dafür weniger Drapierung. Auch die Zellstruktur zählt: Evonik führt ROHACELL IG-F laut Datenblatt als feinzelligere Variante mit gleichen Kennwerten, aber geringerem Harzbedarf. Am oberen Ende stehen Vlieskerne wie Coremat Xi: Sie nehmen rund 0,6 kg Harz je Quadratmeter und Millimeter Dicke auf, bei 3 mm also etwa 1,8 kg/m² und bei 5 mm rund 3,0 kg/m² – bei einer Aufbauhöhe, die mit einem 20 mm dicken Schaumkern nicht vergleichbar ist.
Krafteinleitung: wo der Kern nichts leisten kann
Aus 1,4 N/mm² Druckfestigkeit folgt die Konstruktionsregel unmittelbar: Eine Unterlegscheibe mit rund 200 mm² wirksamer Fläche überträgt auf einen H80-Kern etwa 280 N, während eine mäßig angezogene M6-Schraube Vorspannkräfte im Kilonewton-Bereich aufbaut. An Beschlägen, Bohrungen und Auflagern wird der Kern deshalb ausgeräumt und durch eingedicktes Harz, ein Insert oder massives Laminat ersetzt; das Vorgehen zeigt die Anleitung Inserts und Gewinde einlaminieren. Der Fuß des angeschraubten Bauteils muss die vergossene Fläche überdecken, sonst wirkt die Last wieder punktuell – und der Kernauslauf wird flach angeschrägt, damit die Deckschicht ohne Knick übergeht.
Temperatur und Feuchte begrenzen die Lebensdauer
Die Temperaturgrenze eines Sandwichs liegt meist beim Kern, nicht beim Harz. DIAB nennt für Divinycell H einen Einsatzbereich von −200 bis +70 °C, erlaubt außen Hauttemperaturen bis +85 °C und begrenzt die Verarbeitung der leichten Typen auf 90 °C, der dichteren auf 110 °C. Heißhärtende Epoxidsysteme erreichen Glasübergangstemperaturen von 120 bis 200 °C – dieser Spielraum ist mit einem PVC-Kern nicht nutzbar; selbst die milde Warmhärtung eines kalthärtenden Systems auf rund 85 °C liegt bereits an der Verarbeitungsgrenze der leichten Typen. Auch der Prozess kann die Grenze reißen: Ein dick aufgebautes, schnell härtendes Polyesterlaminat überschreitet in der exothermen Spitze die 90 °C mühelos und drückt den Schaum ein.
Die zweite Langzeitgrenze ist Feuchte. Geschlossenzelliger Schaum nimmt kaum Wasser auf, offene Wabenzellen und Balsa-Hirnholz dagegen sehr wohl: Balsa fault bei stehender Nässe, eingeschlossenes Wasser sprengt bei Frost die Klebefuge und lässt Aluminium korrodieren. Der Eintrittsweg ist fast nie die Fläche, sondern die offene Kante, die Bohrung und der Beschlag.