Sandwich im Bootsbau: Eigenschaften von Kernmaterialien & Strukturprobleme erkennen

Das Sandwich-Problem

Sandwich als Leichtbauweise hat seine Vorteile, aber selbst kleine Schäden können sich schnell negativ auswirken. Was man darüber wissen sollte:

Nach zahlreichen Vorarbeiten und erst, wenn alles genau passt, entsteht aus Laminat und Kernmaterial ein Deck © Jan Maas

In der Sandwichbauweise werden Werkstoffe verschiedener Eigenschaften in Schichten zu einem Verbundwerkstoff oder Komposit zusammengesetzt. Üblich ist die Abfolge Deckschicht – Kern – Deckschicht. Sandwichplatten übertragen das Prinzip eines Doppel-T-Trägers in eine Fläche. Die dünnen Deckschichten sorgen mit ihrem großen Abstand zur Mittelfläche für ein großes Flächenträgheitsmoment und damit für eine hohe Biegesteifigkeit. Der Kern erzeugt gleichzeitig Schubsteifigkeit und stützt die Deckschichten.

Für den Bootsbau ist die Sandwichbauweise in erster Linie interessant, weil Werften mit ihrer Hilfe leichter bauen können. Um an einer bestimmten Stelle eine bestimmte Festigkeit zu erreichen, ist ein Sandwich bei Verwendung eines leichten Kernmaterials im Vergleich deutlich leichter als ein Volllaminat. Das bedeutet zum einen, dass das Boot dadurch insgesamt leichter wird. Zum zweiten kann so das Gewicht gezielt verteilt werden, beispielsweise durch einen höheren Ballastanteil.

Mit Kern- und Deckschicht wird eine Art Doppel-T-Träger konstruiert, um Lasten besser auf die Fläche zu verteilen © Jan Maas

Typisch im Bootsbau ist etwa, dass Schotts und Decks in Sandwichbauweise hergestellt werden. Der Gewichtsschwerpunkt liegt dadurch niedriger als bei der Verwendung von Volllaminat, was sich positiv auf die Stabilität und damit auf das Seeverhalten auswirkt. Aber auch Rümpfe können in Sandwichbauweise hergestellt werden. Nebeneffekte der Sandwichbauweise sind je nach dem verwendeten Kernmaterial bessere Wärmeisolation und Schalldämmung.

Als Deckschichten kommen im Bootsbau in der Regel Laminate aus Faser und Matrix zum Einsatz. Daher sind bei der Sandwichbauweise im Bootsbau drei verschiedene Variablen zu betrachten: Harz (Matrix), Faser und Kern. Je nach Einsatzzweck an Bord können hier verschiedene Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften zum Einsatz kommen. Üblich sind Polyester- oder Epoxidharz, Glas- oder Kohlefaser und Schaum- oder Holzkern.

Hergestellt werden Sandwichlaminate heutzutage in der Regel in Verbindung mit der Vaku­uminfusionstechnik. Durch das Vakuum kann besser gewährleistet werden, dass es nicht zu Luftblasen im Sandwich kommt. Im Handauflegeverfahren wäre das nur optisch zu kontrollieren, was allerdings kaum möglich ist. Luftblasen setzen die gewünschten Festigkeitswerte herab und ermöglichen außerdem im Schadensfall das Eindringen von Wasser in das Sandwich, was langfristig das Kernmaterial zerstört.

Unter Vakuum werden Kern- und Deckschicht durch das Einleiten des Harzes fest miteinander verbunden © Jan Maas

Kernmaterialien für die Sandwichbauweise

Holz

Die meistverwendete Holzart für Sandwichkonstruktionen ist Balsaholz. Hin und wieder wird allerdings an besonders belasteten Stellen auch Sperrholz aus anderen Holzarten eingesetzt. Balsaholz stammt aus Mittel- und dem nördlichen Südamerika und wurde ursprünglich zum Floßbau verwendet. Balsaholz ist leicht und einfach zu bearbeiten, jedoch wenig dauerhaft; das bedeutet, es gammelt in unbehandeltem Zustand schnell. Schon Thor Heyerdahl kämpfte auf seinem Floß Kon-Tiki gegen den Verfall des Holzes.

Für die Verwendung von Balsaholz als Sandwichkern sprechen seine guten Dämm- und Isoliereigenschaften sowie seine hohe Druckfestigkeit. Da das Holz seine hohe Druckfestigkeit längs der Faserrichtung aufweist, wird es in Scheiben geschnitten und auf Matten aufgebracht. Im Vakuuminfusionsverfahren verarbeitet, wird das Holz etwas weniger anfällig für Wasseraufnahme. Zu bedenken ist, dass Balsaholz als Naturprodukt nachwächst, aber eine schwankende Dichte zwischen 100 und 200 kg/m3 aufweist.

© Jan Maas

Schaum

Kunststoffschäume stellen neben Balsaholz den Löwenanteil der Kernmaterialien für den Sandwichbau dar. Ihr größter Vorteil liegt darin, dass ihre Eigenschaften steuerbar und reproduzierbar sind. So unterliegen die Bauteile von Motoryachten durch das sogenannte Slamming in den Wellen anderen Anforderungen als bei Segelbooten. Für Segelboote kommen daher in der Regel Kernmaterialien mit Dichten zwischen 60 und 100 kg/m3 in Frage, für Motoryachten Dichten zwischen 80 und 130 kg/m3.

Hochfeste Schäume werden etwa in Bereichen von Verbindungen, Beschlägen und Durchbrüchen eingesetzt. In aller Regel bestehen die Schäume im Bootsbereich aus PVC, wobei zunehmend PET verwendet wird. PET ist leichter herzustellen und daher preiswerter, was das Material attraktiv macht, es hat allerdings auch Nachteile gegenüber PVC. Deswegen werden PET-Schäume meistens im Innenausbau verwendet, etwa für Möbelfronten. Früher verwendete PU-Schäume kommen kaum noch vor.

Auf Regattaschiffen kommt ein Wabenmaterial zum Einsatz, das zusätzlich Gewicht spart © Jan Maas

Andere Kernmaterialien

Neben den beschriebenen Kernmaterialien gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Kernmaterialien, die im Serienbootsbau bisher allerdings nur am Rande vorkommen. So gibt es Schaumkerne auf einer anderen chemischen Grundlage als PVC, wie zum Beispiel SAN, unter dem Namen Corecell. Aramid-Waben, bekannt unter dem Handelsnamen Nomex, kommen im Hightech-Regattabootsbau als Kern für Kohlefaser-Deckschichten zum Einsatz. Ein natürliches, nachwachsendes Kernmaterial ist Kork.

Reparaturen und Ausbesserungen von Sandwich

In den meisten Fällen geht es bei Schäden an Sandwichbauteilen darum, entweder den Verbund zwischen Deckschicht und Kern oder die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterials selbst wiederherzustellen. Im zweiten Fall ist die Deckschicht vielleicht selbst gar nicht an der Stelle beschädigt, wo das Kernmaterial schadhaft ist. Dennoch erfordert eine Reparatur am Kernmaterial fast immer auch in gewissem Maße Arbeiten an der Deckschicht.

Ablösung der Deckschicht

Eine Ablösung zwischen Deckschicht und Kernmaterial erkennt man zum Beispiel daran, dass ein ansonsten steifes Deck an einer Stelle weich oder schwammig nachgibt. Hervorgerufen werden solche Ablösungen zum Beispiel durch eindringende Feuchtigkeit, die den Verbund zwischen den Schichten zerstört hat, oder durch Luftblasen im Sandwich, die verhindert haben, dass die gewünschte Festigkeit überhaupt entstehen konnte.

Bei einer solchen Ablösung wird zuerst die Ausdehnung des Schadens geprüft. Mit gleichmäßig verteilten Bohrungen durch Deckschicht und Kern können das Kernmaterial und sein Zustand geprüft werden. Sind Kern und Deckschicht an sich noch intakt, kann der Kern getrocknet und später mithilfe von Epoxidharz wieder mit der Deckschicht verbunden werden. Fördern die Bohrungen beispielsweise faules Holz zutage, muss der Kern ersetzt werden.

Das Kernmaterial muss genau passen und wird entsprechend zugeschnitten, bevor es in die Form kommt © Jan Maas

Ersetzen des Kernmaterials

Wenn das Kernmaterial länger mit Wasser in Kontakt stand, kann es sein, dass es irreparabel zerstört worden ist. Das gilt insbesondere für Balsaholz. Das Tückische ist, dass Schäden am Kernmaterial nicht direkt mit Schäden an der Deckschicht in Verbindung stehen müssen. Es kann zum Beispiel sein, dass ein Beschlag am Bug oder Heck fehlerhaft und undicht montiert worden ist und das dort eindringende Wasser sich in der Kernschicht am tiefsten Punkt des Decks sammelt.

Wenn das Kernmaterial zerstört ist, müssen Deckschicht und Kernmaterial komplett entfernt werden. Danach muss das Sandwich getrocknet und ein neues Stück des Kernmaterials eingeklebt werden. Dabei dürfen Alt und Neu stumpf aneinanderstoßen. Mehr Mühe muss man sich bei der Deckschicht geben. Die alte Deckschicht muss mit einer Steigung von mindestens 1/10 angeschliffen werden. Das neue Laminat baut man, mit dem größten Flicken anfangend, kleiner werdend auf, bis die Dicke erreicht ist.

Hier ist sehr gut zu sehen, wie unterschiedliche Kernmaterialien eingesetzt werden. Bei Rundungen Balsaholz und bei ebenen Flächen und Verstärkungen Schaum © Jan Maas

Lokale Verstärkung

Um das Eindringen von Wasser in ein Sandwich zu verhindern, kann das Sandwich lokal verstärkt werden. Wenn beispielsweise ein neuer Beschlag einfach mit Dichtmasse durch das Deck gebolzt wird, hat man a) das Problem, dass das Sandwich gar nicht auf die Belastung ausgelegt ist und b) das Problem, dass die Dichtmasse alleine den Bolzen abdichten soll. Eine solche Montage ist nicht fachgerecht und unter allen Umständen zu vermeiden.

Eine Alternative ist es, einen Epoxydübel herzustellen. Dazu bohrt man das Loch wie gehabt ins Deck und schlägt danach das Kernmaterial rund um das Loch mit einem Akkuschrauber und umgebogenen Nagel oder einem alten Inbusschlüssel aus. Dann wird das Loch von unten abgeklebt und mit angedicktem Epoxy aufgefüllt, bevor der Bolzen durchgeführt wird. Trotzdem ist es ratsam, eine Unterlegplatte zu verwenden, um die Kräfte zu verteilen.


Im Internet: Anleitungen Schritt für Schritt

Kleinteilige Anleitungen zur Reparatur inklusive Materiallisten für den interessierten Laien finden sich bei Anbietern von Sandwich-Materialien, so zum Beispiel bei der Firma Von der Linden und bei CTM.

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