AT398064B - Kunststoff-verbundprofil, insbesondere flügelholm für den flugzeugbau - Google Patents

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AT398064B
AT398064B AT0134492A AT134492A AT398064B AT 398064 B AT398064 B AT 398064B AT 0134492 A AT0134492 A AT 0134492A AT 134492 A AT134492 A AT 134492A AT 398064 B AT398064 B AT 398064B
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Description

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Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Verbundprofil, insbesondere Flügelholm für den Flugzeugbau bestehend aus zumindest einem mit Verklebeflanschen versehenen Gurt, einem zweiten Gurt und zumindest einem die Gurte verbindenden und in die Verklebeflansche eingesetzten Steg, wobei die Gurte aus harzgetränkten Rovings und der Steg aus harzgetränkten Geweben oder Gelegen aufgebaut und Gurte und 5 Steg durch Verklebung miteinander verbunden sind.
Wie auf vielen anderen Gebieten der Technik werden auch im Flugzeugbau vermehrt Kunststoffbauteile verwendet. Kleinflugzeuge, wie etwa Segelflugzeuge, Motorsegler oder leichte Motorflugzeuge, werden derzeit fast ausschließlich aus faserverstärktem Kunststoff gebaut. Dies gilt ebenso für alle tragenden Strukturen dabei, wie insbesondere für die Flügel. Der Flügel ist aufgebaut aus einer Flügelschale, die die io Kontur gibt, d.h. das den Auftrieb erzeugende Flügelprofil, und die vor allem die Torsionsbelastung aufnimmt, sowie zumindest einem Flügelholm. Der Holm nimmt das durch den Auftrieb erzeugte Biegemoment auf. Auch die Holme werden als Faserverbundbauteile und gebräuchlicherweise in der Form als Kastenholme oder I-Holme ausgeführt.
Die die Zug- und Druckkräfte aufnehmenden Teile der Holme werden als Gurte bezeichnet und liegen 15 im wesentlichen waagrecht. Die im wesentlichen senkrecht stehende Verbindung zumindest zweier übereinander liegender Gurte wird als Steg bezeichnet. Hergestellt werden die Gurte derzeit aus sogenannten Rovings, das sind unverwobene, harzgetränkte Mineralfasern und -fäden, während die Stege aus zu Geweben oder Gelegen verbundenen harzgetränkten Fasern bestehen. Zur Aussteifung gegen Beulen werden die Stege üblicherweise als Sandwichbauteil ausgeführt. 20 Zur Herstellung speziell von als Flügelholme verwendeten Kunststoffprofilen sind derzeit zwei Bauweisen üblich, von welchen die erste darin besteht, daß die Gurte per Handauflegeverfahren in Formen oder direkt in der Flügelschale durch Aufeinanderlegen von harzgetränkten Rovings aufgebaut werden. Danach wird mittels einer zusätzlichen Form zumindest ein Steg sowie ein Verklebeflansch zwischen Steg und Gurt aufgebaut. Beim Verkleben von Flügelober- und -Unterschale miteinander wird auch der Holmober- und 25 -untergurt durch Verklebung im Steg bzw. Stegverklebeflansch miteinander verbunden.
Die zweite Methode sieht vor, daß die Gurte ebenfalls im Handauflegeverfahren in Formen aufgebaut werden. Anschließend werden sie und die Steg-Grundplatten, vorzugsweise um Formen herum, zusammengefügt und die Verbindung der einzelnen Bauteile wird durch Aufträgen oder Umwickeln mit diagonal gelegtem Gewebe hergestellt. 30 Beide üblichen Bauweisen sind sehr arbeitsintensiv und langwierig sowie wesentlichen Qualitätsschwankungen unterworfen. Daher bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Kunststoff-Verbundprofil zu schaffen, welches die Nachteile der herkömmlichen Verbundprofile vermeidet und dabei auch den Bau von sich in Querschnitt und Bauhöhe verjüngenden Profilen, insbesondere Flügelholmen erlaubt. Es soll darüberhinaus auch eine verbesserte Herstellung von Profilen mit im wesentlichen konstanter Bauhöhe 35 angegeben werden.
Eine weitere Aufgabe bestand darin, verbesserte Konstruktionen für Kunststoff-Verbund-Profile, insbesondere Flügelholme für den Flugzeugbau, anzugeben, die bei zumindest gleicher Stabilität und Festigkeit eine höhere Dauerfestigkeit aufweist und einfacher, schneller und mit besserer Qualität herstellbar sind.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gurte pultriert sind, daß auch der 40 zweite Gurt mit Verklebeflanschen versehen ist, wobei der Steg in die Verklebeflansche beider Gurte eingesetzt und mittels eines thixotropen Klebestoffes darin fixiert ist.
Diese Bauweise garantiert, daß auch bei sich ändernder Bauteilhöhe volle Flanschverklebebreite erhalten bleibt. Bei diesem Verbundprofil wird aus herzgetränkten Geweben oder Gelegen ein Steg hergestellt, der mit dem Gurt verklebt wird, wobei der Gurt maschinell durch Pultrusion mit dem gewünsch-45 ten Querschnitt, vorzugsweise mit angeformtem Verkiebeflansch, und durch Zuschneiden mittels mitgeführter Schneideeinrichtungen in der gewünschten Länge in einem Arbeitsgang hergestellt wird. Zur Herstellung des Gurtes werden also viele Fasern oder Fäden mittels herkömmlicher Führungseinrichtungen durch ein Bad mit Kunstharz geführt und anschließend auf die gewünschte Querschnittskonfiguration für den Gurt gebracht. Anschließend werden die harzgetränkten Rovings durch eine beheizte Form gezogen, in welcher so dem Bauteil die gewünschte Querschnittsausbildung gegeben wird und die er gehärtet verläßt. Vorzugsweise werden während der Pultrusion, welche eine Art Strangziehen darstellt, auch bereits die Verklebeflansche mitangeformt. Anschließend werden die Gurte auf die gewünschte Länge zugeschnitten, wobei im Sinne der kontinuierlichen Produktion die Schneideeinrichtungen, wie etwa herkömmliche Sägen oder Wasserstrahl- bzw. Laserschneideinrichtungen, mitgeführt werden. Der Gurt ist also maschinell in einem 55 Arbeitsgang herstellbar, was durch die maschinell bedingte exakt parallele Faserausrichtung und den kontinuierlichen Übergang zum Verklebeflansch eine bessere Qualität der Gurte ergibt. Ebenso sind die Übergänge zum Verklebeflansch besser kontrollierbar. Es ist möglich, viele Gurte in gleichbleibender Qualität kontinuierlich und rasch herzustellen, ohne auf Flügelschalen als Formen oder das Freiwerden von 2
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Formen zum Anlegen von vorgefertigten Einzelteilen angewiesen zu sein.
Die sich von einem Ende des Profiles zum anderen verändernde Bauhöhe kann durch die Verwendung eines Steges mit sich kontinuierlich verringender Breite erzielt werden. So ist beispielsweise die Anpassung eines Flügelholmes an eine sich Über die Flügelspannweite verändernde Bauhöhe des Flügels möglich. Eine Anpassung des Profiles an eine sich entlang seiner Länge ändernde Biegebelastung, beispielsweise bei Flugzeugholmen, die zur Flügelspitze hin abnehmende Biegebelastung, wird durch entsprechend auf die Belastung hin abgestimmte Verringerung des Gurtquerschnittes erreicht. Diese Verringerung erfolgt dadurch, daß die Gurte nach der Pultrusion maschinell bearbeitet werden, vorzugsweise durch Sägen, Wasserstrahl-oder Laserschneiden, sodaß der Querschnitt kontinuierlich von einem Ende zum anderen abnimmt. Die Verklebeflansche werden dabei im allgemeinen nicht gekürzt. Verglichen mit den traditionellen Methoden bringt die erfindungsgemäße Bauweise keinerlei Mehrgewicht der Profile mit sich.
Die Qualität, insbesondere hochbelasteter Bauteile kann im Bereich der Übergänge zum Verklebeflansch des Gurtes bei gleichbleibend einfacher und rascher Herstellungsweise dadurch erhöht werden, daß während der Pultrusion zusätzlich diagonale Gewebe- oder Gelegestreifen in den Gurt eingearbeitet werden. Diese sorgen dann für die notwendige Schubfestigkeit der Verkiebeflansche.
Nachdem zwischen die Verklebeflansche ein thixotroper Klebstoff eingebracht wurde, wird ein vorgefertigter Steg eingesetzt und die Anordnung ausgehärtet. Die zur Herstellung benötigte Arbeitszeit wird weiter wesentlich verringert, da der Gurt und der Steg vorgefertigt sind und lediglich mittels des thixotropen Klebstoffes zusammengefügt werden müssen. Der Steg kann als ebene Platte vorgefertigt werden, was weiter zur Reduktion der Arbeitszeit beiträgt, da die lasttragende Stegbelegung nicht mehr beim Zusammenbau auf die Steg- und Gurtkontur aufgebracht werden muß.
Die Herstellung von Profilen mit gleichbleibender Bauhöhe wird in der Weise durchgeführt, daß der zumindest eine Gurt und der Steg als einstückiges Profil maschinell durch Pultrusion mit dem gewünschten Querschnitt und durch Zuschneiden mittels vorzugsweise mitgeführter Schneideeinrichtungen in der gewünschten Länge in einem Arbeitsgang hergestellt wird. Derartige Profile weisen keinerlei Verbindungsstellen zwischen einzelnen Bauelementen auf, die unter Belastung auseinandergehen könnten.
Auch ist die maschinelle Bearbeitung der Gurte nach der Pultrusion möglich, z.B. durch Sägen, Wasserstrahl- oder Laserschneiden, sodaß der Querschnitt kontinuierlich von einem Ende zum anderen abnimmt.
Damit kam beispielsweise ein Flügelholm kontinuierlicher Bauhöhe an die zur Flügelspitze hin abnehmende Biegebelastung angepaßt werden.
Die Pultrusion der Gurte ergibt die bessere Qualität, insbesondere bei den Übergängen zum Verklebeflansch. Letzterer gestattet das Einsetzen eines vorgefertigten Steges, sodaß auch die zum Zusammenbau benötigte Arbeitszeit weitgehend vermindert und die Arbeitsschritte vereinfacht sind. Dies wirkt sich aber letztlich auch auf den Preis des fertigen Bauteiles aus.
Durch in den Gurten eingearbeitete diagonale Gewebe- oder Gelegestreifen, die sich bis in die Seitenteile der Verklebeflansche erstrecken, wird eine verbesserte Schubfestigkeit der Verklebeflansche, insbesondere bei hochbelasteten Bauteilen, erzielt. Eine Ausführung ohne diese Verstärkungen ist nicht in der Lage, die auftretenden Schubkräfte zu ertragen.
Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der zumindest eine Steg aus einer Grundplatte, vorzugsweise aus Schaumstoff oder Wabenplatten,und beiderseits angeordneten Decklagen aus Geweben oder Gewirken besteht, und daß deren übereinanderliegende Anzahl in Abhängigkeit von der Längsposition auf den Steg unterschiedlich ist, vorzugsweise von einer der Schmalseiten zur anderen hin stetig abnimmt, ist einerseits die Gewichtsverteilung und das Biegeverhalten entlang der Länge des Steges und damit des fertigen Profiles beeinflußbar.
Die besten Festigkeitswerte werden erreicht, wenn als Klebstoff sowie auch als Kunstharz zur Herstellung der Gurte und Stege Epoxidharz verwendet ist. Das Epoxidharz ist momentan das einzige für den Flugzeugbau zugelassene Material, wobei jedoch auch als Harze zur Herstellung der Gurte und Stege Thermoplaste oder Duroplaste, vorzugsweise Epoxi-, Polyester-, Vinyl- oder Acrylharze verwendet werden könnten.
Als Fasern zur Herstellung für die Rovings, Gewebe und Gelege werden vorzugsweise Glas- oder Carbonfasern verwendet, allenfalls auch Aramidfasern. Glasfasern haben den Vorteil, daß sie billig sind, während die leichteren Carbonfasern einen höheren Preis aufweisen. Die ebenfalls teuren Aramidfasern sind zwar sehr zugfest, weisen aber derzeit noch schlechte Werte für die Druckfestigkeit auf.
Bei Profilen, bei denen nicht gefordert ist, daß sich ihre Bauhöhe verändert, können die Gurte und der Steg einstückig ausgeführt und gemeinsam pultriert werden. Dadurch sind besonders stabile Profile gegeben, die insbesondere nicht gegen Lösen von Verbindungen zwischen einzelnen Bauteilen anfällig und besonders einfach herzustellen sind. 3

Claims (10)

  1. AT 398 064 B Bei derartigen Profilen kann der Steg durch eine zusätzliche Aussteifung, vorzugsweise eine aufgeklebte Sandwichplatte, verstärkt sein. Damit ist der Steg gegen Beulen gesichert. Beide Ausführungsformen der Kunststoffprofile können zur Anpassung an eine unterschiedliche Biegebelastung entlang ihrer Länge von einem Ende des Profites zum anderen kontinuierlich abnehmende 5 Querschnitte des Gurtes aufweisen. Bevorzugte Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 übliche Ausführungen für Flügelholme, Fig. 2 und 3 Flügelholme gemäß den derzeit üblichen Bauweisen und Fig. 4 die obere Hälfte eines gemäß der Erfindung hergestellten und aufgebauten Verbund-Profiles in Form eines το I-Holmes. In Fig. 1 sind die für Fiügelholme für Kleinflugzeuge üblichen Konstruktionen dargestellt, wobei die Gurte, d.h. die die Zug- und Druckkräfte tragenden Teile mit 1 bezeichnet sind. Die Gurte 1 verbindenden Stege sind mit 2 bezeichnet. Beim links dargestellten I-Holm sind zwei Übereinanderliegende Gurte 1 durch einen im wesentlichen in der Mitte der Gurte 1 und senkrecht zu diesen ausgerichteten Steg 2 miteinander 75 verbunden. Beim rechts dargestellten Kastenholm sind zwei Stege 2 im Bereich der seitlichen Ränder der wieder Übereinander verlaufenden Gurte 1 vorgesehen. Fig. 2 zeigt einen I-Holm in der derzeit üblichen Bauweise. Dabei ist der Steg 2 als Sandwichbauteil ausgeführt und besteht aus einer Stegplatte 21 aus Schaumstoff oder Wabenbaustoff und beiderseitigen Deckschichten 22 aus zu Geweben oder Gelegen verwobenen Fasern. Wie im oberen Bereich des 20 dargestellten Holmes gezeigt, können diese Decklagen gleichzeitig dazu dienen, den Steg 2 mit dem angrenzenden Gurt 1 zu verbinden. Zu diesem Zweck sind die Decklagen 21 verlängert und weisen parallel zum Gurt 1 verlaufende und mit diesem verklebte Randbereiche 23 auf. Im unteren Teil ist eine andere Verbindungsart zwischen Steg 2 und Gurt 1 dargestellt, wobei auf den unteren Gurt 1 eigene Bauteile 3 als Verklebeflansch aufgebracht sind, in welche der untere Randbereich 25 des Steges 2 sowie ein Klebstoff 4 eingebracht wird, wobei letzterer die Verbindung der Bauteile miteinander bewirkt. Fig. 3 zeigt schließlich einen herkömmlich aufgebauten Kastenholm, wobei die Gurte 1 und Stegplatten 21 zusammengesetzt und durch Aufträgen oder Umwickeln mit diagonal gelegtem Gewebe 5 miteinander verbunden werden. 30 Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen I-Holmes ist in Fig. 4 dargestellt. Der Gurt 1 ist mittels Pultrusion aus Rovings mit etwa 100 bis über 1000 Einzelfäden, vorzugsweise Glasfasern, hergestellt. Als Harz wird Epoxidharz verwendet und während der Pultrusion wird nach einer Verformung und Verhärtung durch ein Ziehwerkzeug der Gurt 1 in der dargestellten Ausführung als Grundstruktur 11 mit angeformten Verklebeflanschen 12 hergesteilt. Zur Verbesserung der Schubfestigkeit des Verklebefiansches 35 12 enthält der Gurt 1 zusätzlich miteingefügte diagonale Gewebe- oder Gelegestreifen, welche sich mit Abschnitten 61 bis in die Seitenteile des Verklebeflansches 12 erstrecken. Der Steg 2, bestehend aus Waben-oder Schaumstoffplatte 21 und vorzugsweise abgestuften Deckschichten 22 aus zu Geweben oder Gelegen verwobenen Fasern in Diagonalrichtung, wird mit seinem Randbereich zwischen die Verklebeflansche 12 eingesetzt und darin mittels eines thixotropen Klebstoffes fixiert. Dieser Klebstoff ist vorzugsweise 40 thixotropiertes Epoxidharz. Die gleichen Schritte des Pultrusionsprozesses erfolgen auch für die Herstellung eines einstückigen Profiles, welches vorteilhafterweise ebenfalls meist als I-Holm aufgebaut ist. Auch hierbei werden etwa 100 bis über 1000 Einzelfäden mit Kunstharz imprägniert und über eine Vorformstation bzw. eine Vorhärtungsanlage dem Ziehwerkzeug zugeführt, wo dem Holm der gewünschte Querschnitt gegeben wird. as . Sowohl bei der Herstellung der Gurte als auch des gesamten Profiles ist nach dem Abzugssystem, das hinter dem Ziehwerkzeug angeordnet ist, eine vorzugsweise mitbewegte Schneideeinrichtung vorgesehen, die die Gurte 1 bzw. die Profile auf die gewünschte Länge zuschneidet. Die maschinelle Nachbearbeitung zur Veränderung der Querschnitte der Gurte bzw. der Profile kann gleichzeitig durch ebenfalls mitbewegte Schneideeinrichtungen oder in einem getrennten Verfahrensschritt erfolgen, so Auch das Verkleben pultrierter Gurte und vorgefertigter Stege bzw. das Aufkleben von Sandwichplatten auf einstückig pultrierte Profile zur Beulaussteifung erfolgt separat auf herkömmliche Weise. Patentansprüche 1. Kunststoff-Verbundprofil, insbesondere Flügelholm für den Flugzeugbau, bestehend aus zumindest einem mit Verklebeflanschen versehenen Gurt, einem zweiten Gurt und zumindest einem die Gurte verbindenden und in die Verklebeflansche eingesetzten Steg, wobei die Gurte aus harzgetränkten Rovings und der Steg aus harzgetränkten Geweben oder Gelegen aufgebaut und Gurte und Steg durch 4 AT 398 064 B Verklebung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gurte (1) pultriert sind, daß auch der zweite Gurt (1) mit Verklebeflanschen (12) versehen ist, wobei der Steg (2) in die Verklebeflansche beider Gurte (1) eingesetzt und mittels eines thixotropen Klebstoffes (4) darin fixiert ist. 5
  2. 2. Kunststoff-Verbundprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Gurten (1) eingearbeitete diagonale Gewebe- oder Gelegestreifen (6) bis in die Seitenteile der Verklebeflansche (12) erstrecken. io
  3. 3. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Steg (2) aus einer Grundplatte (21), vorzugsweise aus Schaumstoff oder Wabenplatten, und beiderseits angeordneten Decklagen (22) aus Geweben oder Gewirken besteht, und daß deren übereinanderliegende Anzahl in Abhängigkeit von der Langsposition auf den Steg (2) unterschiedlich ist, vorzugsweise von einer der Schmalseiten zur anderen hin stetig abnimmt. 75
  4. 4. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebstoff (4) sowie auch als Kunstharz zur Herstellung der Gurte (1) und Stege (2) Epoxidharz verwendet ist. 2o
  5. 5. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Harze zur Herstellung der Gurte (1) und Stege (2) Thermoplaste oder Duroplaste, vorzugsweise Epoxi-, Polyester-, Vinyl- oder Acrylharze verwendet sind.
  6. 6. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 25 als Fasern für die Rovings, Gewebe und Gelege Glas-, Carbon- oder Aramidfasern verwendet sind.
  7. 7. Kunststoff-Verbundprofil, insbesondere Flügelholm für den Flugzeugbau, bestehend aus zumindest zwei Gurten und zumindest einem die Gurte verbindenden Steg, wobei die Gurte aus harzgetränkten Rovings aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gurte und der Steg einstückig ausgeführt 30 und gemeinsam pultriert sind.
  8. 8. Kunststoff-Verbundprofil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg durch eine zusätzliche Aussteifung, vorzugsweise eine aufgeklebte Sandwichplatte, verstärkt ist.
  9. 9. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Gurtes von einem Ende des Profiles zum anderen Ende hin kontinuierlich abnimmt.
  10. 10. Kunststoff-Verbundprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Steges und damit die Höhe des Profites von einem Ende des Profites zum anderen Ende 40 hin kontinuierlich abnimmt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 45 50 5 55
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