CH692734A5 - Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeuge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Sie ist neben dem Sachgebiet des Schienenfahrzeugbaus auch bei der konstruktiven Gestaltung und der Fertigung von Fahrzeugkarosserien, Flugzeugstrukturen, Schiffskörpern und -aufbauten sowie Behältern vorteilhaft anwendbar. 



  Strukturen, wie zum Beispiel Wagenkästen von Schienenfahrzeugen, welche funktionsbedingt hohe Festigkeiten und hohe Stabilitäten aufweisen müssen, werden häufig zweckmässigerweise und unabhängig von der Art der verwendeten Werkstoffe in verstärkter Schalenbauweise konzipiert. Eine derartige Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff ist aus der DE 3 614 618 bekannt. Sie besteht aus einer zylindrischen Aussenhaut mit längs verlaufenden Stringern von hutförmigen Querschnitt und in Umfangsrichtung verlaufenden Spanten von im Prinzip I-förmigem Querschnitt mit einem hautseitigen und einem inneren Gurt und einem dazwischen liegendem Steg, wobei der Steg eine vordere und eine hintere Aussenfläche aufweist und ein Spant aus bogenförmigen Spantsegmenten gebildet ist.

   Diese Schalenstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Spant jeweils aus einer Anzahl die vordere Fläche des Steges bildender Segmente erster Art und einer Anzahl die hinterseitige Fläche des Steges bildender Segmente zweiter Art besteht, die gegenüber den Segmenten erster Art in Umfangsrichtung um einen Stringerabstand versetzt sind, wobei das Fasermaterial eines jeden Spantsegmentes in eine an sich bekannte Spantabstützung ausläuft. Der vorbeschriebenen Lösung haftet der Nachteil an, dass eine Vielzahl von Einzelteilen gesondert vorgefertigt und in einem aufwändigen Montageprozess verbunden werden müssen, wobei insbesondere die Fertigung der Spantsegmente nur dann kostengünstig erfolgen kann, wenn die Stringerabstände und die Krümmungsradien der Aussenhaut an allen Stellen der Schalenstruktur gleich sind.

   Dies ist bei Wagenkästen für Schienenfahrzeuge aus funktionellen Gründen jedoch meist nicht zu verwirklichen. Weiterhin ist aus der DE 3 835 529 ein nichtmetallisches, monolithisches Strukturteil für Flugzeuge, Fahrzeuge oder Behälter mit einer Aussenhaut und integrierten Versteifungsrippen mit einer Projektionsfläche > 0,1 m<2> bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial in eine geschlossene Form gespritzt oder fliessgepresst wird, in der Aussparungen für die Haut und die Rippen vorgesehen sind, sodass Rippen mit Verhältnissen: Rippenhöhe zu Rippendicke > 5, bevorzugt > 10 entstehen.

   Obwohl dieses Verfahren für die Fertigung grossflächiger Strukturen empfohlen wird, ist mit ihm die Herstellung von für Schienenfahrzeugwagenkästen ausreichend grosser Strukturen nicht möglich, weil den Bauteilabmessungen durch den derzeitigen Stand der Maschinentechnik noch zu enge Grenzen gesetzt sind.

   Des Weiteren ist aus dem Verfahren für die Herstellung von Fahrzeugstrukturen (EP 0 687 611) eine röhrenartige Wagenkastenstruktur bekannt, die mit dem an sich bekannten Wickelverfahren für faserverstärkte Kunststoffe in der Weise hergestellt wird, indem auf einen sich drehenden Kern, welcher die Innenkontur der Wagenkastenstruktur aufweist, mehrere Schichten aus Faserkunststoff zu einer Innenhaut gewickelt werden, danach vorgefertigte Kunststoffschaumteile auf die unausgehärtete Innenhaut derart in Abständen gelegt werden, dass sie in Längsrichtung für die Stringer und in Umfangsrichtung für die Spante freie nutartige Zwischenräume freilassen.

   Nach dem Einlegen vorgefertigter Stringer und Wickeln der Spante in die jeweiligen freien nutartigen Zwischenräume bis zur Niveaugleichheit mit den Kunststoffschaumteiloberflächen wird die flächige Aussenhaut analog der Innenhaut ebenfalls in mehreren Schichten aus Faserkunststoff gewickelt, sodass eine röhrenartige Wagenkastenstruktur in Sandwichbauweise entsteht. Hierbei ist von Nachteil, dass das Wickelverfahren für solche grossflächigen Bauteile als offenes Verfahren wegen der sehr grossen emittierenden Flächen arbeits- und umweltschutztechnisch nur schwer zu beherrschen und nur für Strukturen anwendbar ist, welche in allen Punkten in Umfangsrichtung konvex sind. Es schränkt damit die gestalterische Freizügigkeit des Designs wesentlich ein.

   Im Weiteren weisen die entstehenden Sandwichstrukturen verfahrensbedingt immer eine nur wenig kompressible, d.h. harte Kernschicht auf. Wagenkästen aus Strukturen mit diesem Merkmal haben sich in der Vergangenheit wegen ihren ungünstigen akustischen Eigenschaften als komfortmindernd erwiesen. Weitere Nachteile dieser Lösung bestehen darin, dass die sichtbare Oberfläche der Aussenhaut durch die Markierungen des Verstärkungsmaterials optisch gestört ist sowie aufwändiger Nacharbeitungen bedarf und dass die notwendigen \ffnungen für Fenster, Türen und Klappen nachträglich herausgetrennt und die herausgetrennten Strukturteile verwertet oder entsorgt werden müssen. 



  Im Weiteren sind ganz allgemein Schalenstrukturen bekannt, die derart hergestellt werden, indem das trockene Verstärkungsmaterial der Aussenhaut in eine Form, welche die Aussenkontur der Aussenhaut aufweist, eingelegt und fixiert wird und auf das Verstärkungsmaterial die gesondert vorgefertigten Stringerprofile in den vorgesehenen Abständen eingelegt und fixiert werden. Anschliessend wird das Laminierharz nach dem Vakuum- oder Druck-Vakuum-Injektionsverfahren in das Verstärkungsmaterial eingebracht, wobei der vakuumdichte Abschluss des Laminates nach innen durch eine Plast- oder Elastfolie gebildet wird. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Spante in gesonderten Arbeitsgängen auf die durch die Stringer bereits verstärkte Aussenhaut geklebt. Das erfolgt entweder in der Form für den Injektionsvorgang oder in einer besonderen Montagehelling.

   Dieses Verfahren führt nur dann zu technisch und ökonomisch befriedigenden Ergebnissen, wenn die Fliesswege für das Harz kurz sind. Dieses Problem wird hier dahingehend gelöst, dass in relativ kurzen Abständen auf der gesamten Injektionsformoberfläche Injektoren verteilt sind, welche durch Schlauchleitungen und Zwischenstücke mit den Harzpumpen direkt verbunden sind. Das ist sehr aufwändig und teuer, da die Schlauchleitungen nach jedem Injektionsvorgang entweder erneuert oder gespült werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich enorme Kosten massgeblich durch den hohen Handarbeitsaufwand beim Einkleben der an sich schon teuren Spante ergeben. 



  Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeuge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen, mit einer Verstärkungsfasern enthaltenden Aussenhaut sowie längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofilen zu entwickeln, welche gegenüber den oben genannten technischen Lösungen deutlich kostengünstiger herstellbar ist, die dazugehörige Vorrichtung aufwändige Harzverteilungssysteme vermeidet und eine Integration von Nachbarbaugruppen in den Festigkeitsverband der Schalenstruktur sowie in den Vorgang der Strukturherstellung ermöglicht. 



  Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofile aus vorgefertigten Kernprofilen bestehen, die ganz oder teilweise von Verstärkungsfasern umschlossen sind und mindestens einen parallel zur Längsachse des Kernprofiles verlaufenden Hohlraum aufweisen, welcher durch Überströmöffnungen mit den Verstärkungsfasern in Verbindung steht, wobei die Verstärkungsfasern der Aussenhaut sowie die Verstärkungsfasern um die Kernprofile über die Hohlräume und die Überströmöffnungen mit Laminatharz befüllt sind. Es ist weiterhin erfindungsgemäss, dass die Kernprofile ein- oder mehrteilig ausgebildet sind, wobei die Teile der mehrteiligen Kernprofile durch punkt- oder linienförmige Steckverbindungen zusammengehalten sind.

   Des Weiteren ist erfindungsgemäss, dass die Überströmöffnungen der Hohlräume als in Abständen angeordnete \ffnungen beliebigen Querschnitts oder als ein oder mehrere parallel zur Längsachse der Kernprofile vorgesehene Kanäle oder Spalte ausgebildet sind. 



  Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in 
 
   Fig. 1 eine Ansicht der Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff, 
   Fig. 2: eine Einzelheit Z nach Fig. 1, dargestellt während der Fertigung, 
   Fig. 3 einen Schnitt A-A nach Fig. 1. 
 



  Die in Fig. 1 gezeigte Schalenkonstruktion, beispielsweise eines Schienenfahrzeugwagenkasten, besteht aus der flächigen, Verstärkungsfasern 1 enthaltenden Kunststoff-Aussenhaut, den längs verlaufenden Verstärkungsprofilen 2 (Stringern) und den quer verlaufenden Verstärkungsprofilen 3 (Spanten), welche nach dem allgemein bekannten Harzinjektionsverfahren herstellbar sind, sowie den angedeuteten, nicht näher bezeichneten Fensterausschnitten. Sowohl die Verstärkungsprofile 2 als auch die Verstärkungsprofile 3 weisen gemäss Fig. 2 jeweils ein vorgefertigtes Kernprofil 4 auf, welches im Ausführungsbeispiel vorzugsweise als extrudierendes Thermoplastprofil gestaltet ist, aber auch aus Kunststoffschaum, Metall oder anderen geeigneten Werkstoffen bestehen kann.

   Die Kernprofile 4 sind im Fertigungsprozess zunächst von den Verstärkungsfasern 5 umschlossen und weisen erfindungsgemäss einen längs zur Profilachse parallel verlaufenden Hohlraum 6 auf. Der Hohlraum 6 kann von beliebiger Querschnittsform sein. Er ist mit Verstärkungsfasern 1 der Aussenhaut und/oder den Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungsprofile 2, 3 durch Überströmöffnungen 7 verbunden. In Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen der Verstärkungsprofile 2, 3 kann das Kernprofil 4 auch mit zwei oder mehreren Hohlprofilen 6 und Überströmöffnungen 7 versehen sein. Ebenso ist es auch denkbar, als Überströmöffnungen 7 Kanäle, Spalte oder Poren vorzusehen. Die Hohlräume 6 dienen dem strömungswiderstandsarmen Transport des Laminatharzes im Herstellungprozess.

   Hierbei wird dieses durch die Überströmöffnungen 7 in die Verstärkungsfasern 1 der Aussenhaut und in die Verstärkungsfasern 5 um die Kernprofile 4 geleitet, wo das Laminatharz aushärtet und eine monolithische, verstärkte Schalenstruktur entstehen lässt. Das Kopfprofil 8 deckt einerseits die Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungsprofile 2, 3 ab und bietet andererseits durch seine Gestaltung hinsichtlich der T-Nuten 9 günstige Befestigungsmöglichkeiten für Teile der Wageninnenausstattung. Die mit den Kopfprofilen 8 fest und dicht verbundenen Folienstreifen 10 decken die Verstärkungsfasern 5 um die Kernprofile 4 vakuumdicht ab, wobei die Folienstreifen 10 vorteilhaft dem abgewinkelten, auf den Verstärkungsfasern 1 der Aussenhaut aufliegenden Verstärkungsfaserbereich 11 folgen. Das Isolationsmaterial 12 gem.

   Fig. 3 ist aussenseitig mit einer Kaschierfolie 13 versehen, welche randseitig die Folienstreifen 10 flächig überdeckt. Die Kaschierfolie 13 und die Folienstreifen 10 können in diesem Bereich erforderlichenfalls mit einem Dichtstoff 14 gegeneinander vakuumdicht verbunden werden. Damit sind die Verstärkungsfasern 1 der Aussenhaut und die Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungsprofile 2, 3 mittels einer nicht dargestellten starren, vakuumdichten Aussenform und einer den Vakuumabschluss in eben beschriebener Art nach innen realisierenden Form ganzflächig abgedeckt und können nach dem allgemein bekannten Harzinjektionsverfahren mit Vakuumunterstützung harzgetränkt werden, sodass im ausgehärteten Zustand die tragende Aussenhaut mit den Verstärkungsprofilen 2, 3 entsteht. 



  Die oben beschriebene vorteilhafte Integration des Isolationsmaterials 12 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn die Dichtfunktion der Kaschierfolie 13 von einer für diesen Zweck gesondert eingesetzten Folie übernommen wird. 



  Je nach dem Verwendungszweck der Schalenstruktur können die Verstärkungsprofile 2, 3 sowohl auf einer Seite als auch auf beiden Seiten angeordnet sein.

Claims (3)

1. Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeuge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen, mit einer Verstärkungsfasern enthaltenden Aussenhaut sowie längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofilen, welche Schalenstruktur nach dem Vakuum- oder Druck-Vakuum-Injektionsverfahren mittels einer konturgebenden, starren Aussenform und einer den Vakuumabschluss nach innen realisierenden, flexiblen Form herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofile (2, 3) aus vorgefertigten Kernprofilen (4) bestehen, die ganz oder teilweise von Verstärkungsfasern (5) umschlossen sind und jeweils mindestens einen parallel zur Längsachse des Kernprofils (4) verlaufenden Hohlraum (6) aufweisen, welcher durch Überströmöffnungen (7) mit den Verstärkungsfasern (1, 5) in Verbindung steht,

wobei die Verstärkungsfasern (1) der Aussenhaut sowie die Verstärkungsfasern (5) um die Kernprofile (4) über die Hohlräume (6) und die Überströmöffnungen (7) mit Laminatharz befüllt sind.

2. Schalenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernprofile (4) ein- oder mehrteilig ausgebildet sind, wobei die Teile der mehrteiligen Kernprofile (4) durch punkt- oder linienförmige Steckverbindungen zusammengehalten sind.

3. Schalenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnungen (7) der Hohlräume (6) als in Abständen angeordnete \ffnungen beliebigen Querschnitts oder als ein oder mehrere parallel zur Längsachse der Kernprofile (4) vorgesehene Kanäle oder Spalte ausgebildet sind.