Out of plane elastic compressive properties of metallic honeycomb structures

Diese Studie untersucht den Einfluss dreier geometrischer Faktoren auf den Druckmodul senkrecht zur Ebene von metallischen Wabenstrukturen, insbesondere aus Aluminium: Zelltopologie, Wabenhöhe und Probengeometrie. Ziel ist es zu überprüfen, ob die von Herstellern angegebenen, oft als konstant angenommenen Modulwerte auch bei unterschiedlichen Konfigurationen Gültigkeit behalten.

Historisch gesehen wurde in theoretischen Modellen (insbesondere von Gibson & Ashby) eine Formel vorgeschlagen, die diesen Modul mit der relativen Dichte und dem Elastizitätsmodul des Materials verknüpft. Allerdings zeigen sich signifikante Diskrepanzen zwischen theoretischen und experimentellen Modulen, insbesondere bei Wabenstrukturen mit geringer Dichte. Dies lässt sich durch Mikrodefekte wie Mikroperforationen und Mikroverformungen der Wände sowie durch die Überschätzung des Elastizitätsmoduls bei sehr dünnen Materialien erklären.

Zur Untersuchung dieser Phänomene wurden Kompressionsversuche gemäß ASTM C365 sowie Finite-Elemente-Simulationen (FEM) durchgeführt. Die Versuche zeigen, dass die Zelltopologie die mechanischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst: Eine modifizierte Geometrie mit gewellten Wänden erhöht den Kompressionsmodul signifikant (um bis zu +118 % bei einer Dichteerhöhung von nur 7,9 %) im Vergleich zu einer klassischen hexagonalen Struktur.

Des Weiteren hat die Wabenhöhe (ein in den theoretischen Formeln fehlender Parameter) einen signifikanten Einfluss. Versuche mit Höhen von 5 mm, 10 mm, 15,9 mm und 44 mm zeigen, dass der Kompressionsmodul mit der Höhe zunimmt und gleichzeitig die elastische Verformungszone abnimmt. Bei geringeren Höhen scheint der in den stabilisierten Kompressionsversuchen verwendete Klebstoff die Ergebnisse zu beeinflussen. 

Numerische Simulationen bilden diese experimentellen Trends präzise ab und heben zwei elastische Bereiche hervor: einen ersten theoretischen Bereich, gefolgt von einem zweiten, der von Mikroknicken dominiert wird. Dieser numerische Ansatz bestätigt, dass die mechanischen Eigenschaften nicht nur vom Material und der Dichte, sondern auch von der Zellgeometrie und der Höhe des Kernmaterials abhängen.

Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass der Kompressionsmodul von metallischen Wabenstrukturen senkrecht zur Ebene keine universelle Konstante ist. Er hängt stark von den geometrischen Eigenschaften des Zellnetzwerks ab, was die häufig verwendeten vereinfachenden Annahmen in Frage stellt. Die Berücksichtigung dieser Faktoren ist für Anwendungen, die eine hohe mechanische Präzision erfordern, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, unerlässlich.