DE10125479A1 - Metallic attachment point on sheets of sandwich construction comprises a large collapsible sleeve, a screwed metallic sleeve and a small sleeve - Google Patents

Metallic attachment point on sheets of sandwich construction comprises a large collapsible sleeve, a screwed metallic sleeve and a small sleeve

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    • F16B37/122—Threaded inserts, e.g. "rampa bolts"

Abstract

A hard attachment point on a sandwich sheet (12) consists of a large sleeve (13), which has at least four segments so that it can be collapsed into a roughly triangular section, a metallic sleeve (30) with a screw thread, and a small sleeve (40), which fills the space between the large (13) and the metallic (30) sleeve. An Independent claim is also included for the process of fitting the attachment point by first drilling a hole in the sandwich plate (12). The large sleeve (13) is coated with adhesive, inserted in a collapsed state and expanded with a mandrel to fit into the hole. The screwed metallic sleeve (30) is then temporarily attached (32) to the large sleeve (13), after which the small sleeve (40) is inserted to fill the gap. The small sleeve (40) is coated with excess adhesive paste, which emerges at the ends and is trimmed to be flush.

Description

Einleitungintroduction

Strukturen für Raumfahrtanwendungen dürfen bei hoher Steifigkeit und hoher Festigkeit nur ein geringes Gewicht haben. Aus diesem Grund werden Strukturplatten zur Aufnahme von Instrumenten vorzugsweise aus Sandwichplatten (10) ausgebildet. Eine besonders steife und leichte Platte erhält man dann, wenn für die Sandwichplatte Deckschichten (11) aus CFK (Carbonfaserkunststoff) in Verbindung mit einem Wabenkern (12) verwendet werden. Diese sehr leichten Platten führen zu Problemen bei der Befestigung physikalischer Instrumente (50). Im allgemeinen besteht der Wunsch, die Gehäuse der Instrumente auf der Sandwichplatte anzuschrauben. Dazu müssen die Befestigungspunkte lokal versteift sein und eine gute Krafteinleitung in die Sandwichplatte bieten. Eine Möglichkeit der Herstellung solcher "hard points" besteht darin, metallische Gewindeelemente in die Sandwichplatte einzulassen. Dazu werden Wabenzellen des Kernmaterials mit einem Zweikomponentenklebstoff gefüllt und das metallische Gewindeelement in den Klebstoff eingelassen. Diese konstruktive Lösung liefert zwar hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte, führt jedoch zu einem hohen Strukturgewicht, insbesondere dann, wenn die Dicke der Waben groß ist und sie daher sehr viel Klebstoff aufnehmen.Structures for space applications are only allowed to have a low weight with high rigidity and high strength. For this reason, structural plates for holding instruments are preferably formed from sandwich plates ( 10 ). A particularly stiff and light plate is obtained if cover layers ( 11 ) made of CFRP (carbon fiber plastic) are used in connection with a honeycomb core ( 12 ) for the sandwich plate. These very light plates lead to problems when attaching physical instruments ( 50 ). In general, there is a desire to screw the housings of the instruments onto the sandwich plate. To do this, the fastening points must be stiffened locally and offer good force transmission into the sandwich panel. One way of producing such "hard points" is to let threaded metal elements into the sandwich panel. For this, honeycomb cells of the core material are filled with a two-component adhesive and the metallic threaded element is embedded in the adhesive. Although this constructive solution provides high strength and rigidity values, it leads to a high structural weight, especially when the thickness of the honeycomb is large and they therefore absorb a lot of adhesive.

Insbesondere bei dicken Sandwichplatten bietet sich eine Lösung an, bei der eine CFK-Hülse in den Sandwich eingelassen wird. An der Hülsenoberfläche befindet sich ein Klebstoff, in den sich die vom Bohren angeschnittenen Stege der Wabenzellen eindrücken. Nach dem Aushärten des Klebstoffs erhält man eine Schubanbindung zwischen CFK-Hülse und Wabenkern über den gesamten Bereich der Wabendicke. Diese Lösung vermeidet große Klebstoffmengen zum Füllen der Wabenzellen und führt daher zu einem geringen Gewicht.In the case of thick sandwich panels in particular, there is a solution in which one CFRP sleeve is inserted into the sandwich. Is on the sleeve surface an adhesive in which the ridges of the honeycomb cells cut from the drilling Push. After the adhesive has hardened, a shear connection is obtained between CFRP sleeve and honeycomb core over the entire area of the honeycomb thickness. This solution avoids large amounts of adhesive for filling the honeycomb cells and therefore leads to a low weight.

Stand der TechnikState of the art

In P 190 00 896 wird eine "Einrichtung zum Einleiten einer Kraft in ein Element" beschrieben, bei der in eine Sandwichplatte eine CFK-Hülse (wie in der Einleitung beschrieben) eingelassen wird, die im wesentlichen unidirektional verstärkt ist und sich über die gesamte Sandwichkerndicke erstreckt. Sie besitzt eine geringe Umfangssteifigkeit und kann daher zusammengerollt werden. An der Oberfläche mit einem Klebstoff versehen kann die Hülse in eine Bohrung (13) der Sandwichplatte hineingesteckt und hier mit einem kalibrierten Stift gespreizt werden. Dabei bekommt die Hülse zwangsläufig Kontakt zum Kernmaterial des Sandwich und kann so Schubkräfte auf den Sandwichkern übertragen.P 190 00 896 describes a "device for introducing a force into an element" in which a CFRP sleeve (as described in the introduction) is embedded in a sandwich plate, which is essentially unidirectionally reinforced and extends over the entire sandwich core thickness extends. It has low circumferential rigidity and can therefore be rolled up. Provided with an adhesive on the surface, the sleeve can be inserted into a hole ( 13 ) in the sandwich panel and spread here with a calibrated pin. The sleeve inevitably comes into contact with the core material of the sandwich and can thus transmit thrust to the sandwich core.

In P 196 45 467 wird in eine solche Hülse ein Metallgewindeelement eingeklebt. Um höhere Kräfte über dieses Gewindeelement übertragen zu können, wird dieses Element mit einer Eindrehung versehen, in die eine weitere, geschlitzte, kleine Faserverbundhülse formschlüssig hineinpasst. In P 196 45 467, a metal threaded element is glued into such a sleeve. Around To be able to transmit higher forces via this threaded element, this becomes Provide element with a recess into which another, slotted, small one The fiber composite sleeve fits in a form-fitting manner.  

Die Krafteinleitung erfolgt nach dem Prinzip, dass nicht kompatible Fügeteile (Aluminium/CFK) miteinander formschlüssig verbunden werden, während kompatible, in diesem Fall gleichartige Fügeteile (CFK/CFK) miteinander reibschlüssig, also über eine Klebung verbunden werden.The force is applied on the principle that non-compatible parts to be joined (Aluminum / CFRP) can be positively connected to each other while Compatible, in this case identical joining parts (CFK / CFK) with each other frictionally, so be connected by adhesive.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Die im Stand der Technik erwähnte große CFK-Hülse aus unidirektionalen Fasern muss zusammengerollt werden, um in die Bohrung der Sandwichplatte hineingesteckt zu werden. Auch wenn infolge der Faserorientierung der CFK-Hülse ihre Umfangssteifigkeit sehr gering ist, kann ihr plastisches Zusammenrollen dennoch nur unter Wärmeeinwirkung erfolgen, da der Glasfasergewebeschlauch an der Hülsenoberfläche sehr stark gedehnt werden muss.The large CFRP sleeve made of unidirectional fibers mentioned in the prior art must be curled up in the hole in the sandwich panel to be put in. Even if due to the fiber orientation of the CFRP sleeve their circumferential rigidity is very low, their plastic curling can nevertheless only take place under the influence of heat, since the glass fiber fabric hose is on the sleeve surface must be stretched very much.

Nach dem Einführen der Hülse wird das Zusammenrollen durch einen kalibrierten Stift, der in die Hülse eingeführt wird, wieder rückgängig gemacht, die Hülse gespreizt und gegen die Wabenstege bzw. den Sandwichschaumkern gedrückt. Das Spreizen der Hülse führt im allgemeinen nicht mehr zu dem ursprünglich runden Querschnitt. Vielmehr bleiben die unterschiedlicher Krümmungsradien, die beim plastischen Zusammenrollen unter Wärmeeinwirkung entstehen, teilweise erhalten.After inserting the sleeve, the rolling up is calibrated by a Pen that is inserted into the sleeve, undone the sleeve spread and pressed against the honeycomb webs or the sandwich foam core. The Spreading the sleeve generally no longer leads to the originally round one Cross-section. Rather, the different radii of curvature remain when plastic curling under the influence of heat, partially preserved.

Dies, sowie die Tatsache, dass anschließend in diese Hülse ein metallisches Drehteil mit einer weiteren, kleinen, eingefügten CFK-Hülse eingeklebt wird, führt zu einer nicht kontrollierbaren und nicht reproduzierbaren Verklebung der Fügeteile.This, as well as the fact that a metallic turned part is then inserted into this sleeve glued in with another small, inserted CFRP sleeve leads to one non-controllable and non-reproducible bonding of the parts to be joined.

Verbesserung durch die o. g. ErfindungImprovement through the above invention

Die Nachteile des Standes der Technik werden durch zwei Maßnahmen vermieden:
The disadvantages of the prior art are avoided by two measures:

  • 1. Die große CFK-Hülse (20) besitzt nicht wie oben beschrieben das dünne Gewebe (z. B. Glasfasergewebeschlauch) auf der Außenkontur, sondern auf ihrer Innenseite (21). Sie ist in mindestens 3, i. a. aber in 4 weitgehend gleiche Teile aufgeteilt (22). Um die Hülse in der geteilten Form auf eine Größe zu bringen, die es erlaubt, sie in die Sandwichbohrung zu stecken, wird sie nicht mehr elastisch/plastisch zusammengerollt. Vielmehr werden die 4 Teile der Hülse zu einem Dreikant (23)zusammengefaltet, der sich leicht in die Sandwichbohrung einführen lässt. Das dünne, innenliegende Gewebe, das die 4 Hülsenteile zusammenhält, fungiert nun als Filmscharnier.
    Das anschließende Aufspreizen der Hülse mit einem Dorn führt zwangsläufig dazu, dass jedes Hülsenteil ohne elastische Verformung wieder seine ursprüngliche Lage findet. Auf diese Weise stellt sich der frühere, exakte Kreisquerschnitt der Hülse wieder ein. Durch das Aufweiten und den dadurch entstehenden Andruck der mit Klebstoff (24) versehenen Oberfläche an den Sandwichkernwerkstoff (Wabenmaterial oder Schaum) erhält man eine gute Schubanbindung zwischen Sandwichkern und Hülse.    1. The large CFRP sleeve ( 20 ) does not have the thin fabric (eg glass fiber fabric tube) on the outer contour as described above, but on the inside ( 21 ). It is divided into at least 3, but generally in 4 largely identical parts ( 22 ). In order to bring the sleeve in the divided form to a size that allows it to be inserted into the sandwich hole, it is no longer rolled up elastically / plastically. Rather, the 4 parts of the sleeve are folded into a triangle ( 23 ) that can be easily inserted into the sandwich hole. The thin, inner fabric that holds the 4 sleeve parts together now functions as a film hinge.
    The subsequent spreading of the sleeve with a mandrel inevitably leads to the fact that each sleeve part is returned to its original position without elastic deformation. In this way, the previous, exact circular cross section of the sleeve is restored. The expansion and the resulting pressure on the surface provided with adhesive ( 24 ) on the sandwich core material (honeycomb material or foam) provides a good thrust connection between the sandwich core and the sleeve.
  • 2. Das metallische Gewindeelement (30) ist ein zylindrisches Drehteil mit einseitigem Anschlag (31). Mit diesem Anschlag wird das Gewindeelement in die CFK-Hülse der Sandwichplatte eingeführt und mit einer provisorischen Verklebung (32) fixiert. Zur exakten Ausrichtung wird das Gewindeelement auf eine ebene Platte geschraubt, die plan auf der Sandwichplattenoberfläche aufliegt.
    Nach der Fixierung des Metallelementes wird der rohrförmige Zwischenraum zwischen dem Gewindeelement und der in die Sandwichplatte eingelassenen großen CFK-Hülse mit einem flüssigen Klebstoff (33) weitgehend gefüllt und dann eine weitere, kleinere CFK-Hülse (40), deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Gewindeelementes und deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der in die Sandwichplatte eingelassenen großen CFK-Hülse entspricht, in diesen Zwischenraum hineingesteckt.
    Diese kleinere Hülse, deren Länge so bemessen ist, dass sie einerseits innen gegen den Anschlag (31) des Gewindeelementes stößt und andererseits außen die Kontur der Sandwichplatte nicht überragt (43), kann sowohl als ein Stück wie auch in mehreren Teilschalen (44) in den Zwischenraum eingefügt werden. Die in den rohrförmigen Zwischenraum eingefüllte Klebstoffmenge ist so bemessen, dass beim Einfügen der kleinen Hülse oder der Hülsenteile Klebstoff aus dem Zwischenraum ausdringt und entfernt werden muss. Durch diese Art der Verklebung wird sichergestellt, dass sich zwischen beiden CFK-Hülsen (große und kleine) keine Lunker oder sonstige Lufteinschlüsse befinden, die die Klebung beeinträchtigen können. Daher wird nicht nur eine hohe Klebfestigkeit erzielt, sondern insbesondere eine hohe Reproduzierbarkeit der Verklebung.
    Die hier beschriebene Konstruktion eines Befestigungspunktes bezieht sich zunächst auf leichte CFK-Sandwichplatten mit Waben- oder Schaumkern, so dass zweckmäßig die große Falthülse wie auch die kleine Hülse aus CFK gefertigt werden. Beide Hülsen lassen sich aber auch aus einem anderen Werkstoff z. B. Aluminium fertigen und z. B. in eine Aluminium-Sandwichplatte einbauen.    2. The metallic threaded element ( 30 ) is a cylindrical turned part with a one-sided stop ( 31 ). With this stop, the threaded element is inserted into the CFRP sleeve of the sandwich panel and fixed with a provisional adhesive ( 32 ). For exact alignment, the threaded element is screwed onto a flat plate that lies flat on the sandwich plate surface.
    After the metal element has been fixed, the tubular space between the threaded element and the large CFRP sleeve embedded in the sandwich plate is largely filled with a liquid adhesive ( 33 ) and then another, smaller CFRP sleeve ( 40 ), the inside diameter of which is the outside diameter of the threaded element and whose outer diameter corresponds to the inner diameter of the large CFRP sleeve embedded in the sandwich plate, inserted into this intermediate space.
    This smaller sleeve, the length of which is dimensioned such that on the one hand it abuts the stop ( 31 ) of the threaded element on the inside and on the other hand it does not project beyond the contour of the sandwich plate ( 43 ) on the outside, can be used both as one piece and in several partial shells ( 44 ) the space is inserted. The amount of adhesive filled into the tubular space is dimensioned such that when the small sleeve or the sleeve parts are inserted, adhesive must penetrate from the space and be removed. This type of gluing ensures that there are no voids or other air pockets between the two CFRP sleeves (large and small) that could impair the gluing. Therefore, not only a high adhesive strength is achieved, but in particular a high reproducibility of the bond.
    The construction of a fastening point described here initially relates to lightweight CFRP sandwich panels with a honeycomb or foam core, so that the large folding sleeve and the small sleeve are expediently made of CFRP. Both sleeves can also be made of a different material such. B. aluminum and z. B. install in an aluminum sandwich panel.

Claims (18)

1. Metallische Befestigungspunkte für Sandwichplatten, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer großen Falthülse, einem metallischen Befestigungselement mit einem Anschlag und einer kleinen Hülse bestehen.1. Metallic fastening points for sandwich panels, characterized in that they consist of a large folding sleeve, a metallic fastening element with a stop and a small sleeve. 2. Metallische Befestigungspunkte für Sandwichplatten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die große Falthülse ein Rohrstück darstellt, das aus mehreren, mindestens vier Schalenteilen besteht.2. Metallic fastening points for sandwich panels according to claim 1, characterized in that the large folding sleeve represents a piece of pipe that consists of several, at least four Shell parts exist. 3. Große Falthülse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück bzw. die Rohrstückschalenteile aus CFK bestehen.3. Large folding sleeve according to claim 2, characterized in that the pipe section or the pipe section shell parts consist of CFRP. 4. Große Falthülse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Rohrstück bzw. die CFK-Rohrstückschalenteile aus unidirektionalen C- Fasern bestehen.4. Large folding sleeve according to claim 3, characterized in that the CFRP pipe section or the CFRP pipe section shell parts made of unidirectional C- Fibers exist. 5. Große Falthülse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück bzw. die Rohrstückschalenteile aus anderen Materialien z. B. Aluminium bestehen.5. Large folding sleeve according to claim 2, characterized in that the pipe section or the pipe shell parts made of other materials such. B. Aluminum. 6. Große Falthülse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Innenseite des Rohrstücks ein dünnes Glasfasergewebe befindet.6. Large folding sleeve according to claim 2, characterized in that there is a thin glass fiber fabric on the inside of the pipe section. 7. Metallische Befestigungspunkte für Sandwichplatten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Befestigungselement ein zylindrisches, kreisrundes Gewindeelement mit einem Anschlag an einem Ende darstellt.7. Metallic attachment points for sandwich panels according to claim 1 characterized in that the metallic fastener is a cylindrical, circular Represents threaded element with a stop at one end. 8. Metallische Befestigungspunkte für Sandwichplatten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die kleine Hülse ein Rohrstück darstellt, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, dass es in die große, auseinandergefaltete Falthülse hineinpasst und dessen Innendurchmesser so bemessen ist, dass das metallische Befestigungselement in sie hineinpaßt.8. Metallic attachment points for sandwich panels according to claim 1 characterized in that the small sleeve represents a piece of pipe whose outer diameter is dimensioned in this way is that it fits into the large, unfolded folding sleeve and its Inner diameter is dimensioned so that the metallic fastener in it fits. 9. Kleine CFK-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein einteiliges Rohrstück darstellt.9. Small CFRP sleeve according to claim 8, characterized in that it is a one-piece piece of pipe. 10. Kleine CFK-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einzelnen Rohrschalenteilen besteht.10. Small CFRP sleeve according to claim 8, characterized in that it consists of individual pipe shell parts. 11. Kleine CFK-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück bzw. die Rohrstückschalenteile aus CFK bestehen.11. Small CFRP sleeve according to claim 8, characterized in that the pipe section or the pipe section shell parts consist of CFRP. 12. Kleine CFK-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Rohrstück bzw. die CFK-Rohrstückschalenteile aus unidirektionalen C- Fasern bestehen. 12. Small CFRP sleeve according to claim 8, characterized in that the CFRP pipe section or the CFRP pipe section shell parts made of unidirectional C- Fibers exist.   13. Kleine CFK-Hülse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück bzw. die Rohrstückschalenteile aus anderen Materialien z. B. Aluminium bestehen.13. Small CFRP sleeve according to claim 8, characterized in that the pipe section or the pipe shell parts made of other materials such. B. Aluminum. 14. Verfahren zur Herstellung eines metallischen-Befestigungspunktes für Sandwichplatten dadurch gekennzeichnet, dass
in eine Sandwichplatte ein Loch gebohrt wird, in das eine an ihrer Oberfläche mit einem Klebstoff versehene große Falthülse eingelassen wird, die durch ein oder zwei Kalibrierstifte zu ihrem ursprünglichen runden Querschnitt auseinandergeklappt wird,
in diese große Hülse ein Gewindeelement mit einem Anschlag provisorisch eingeklebt wird,
in den Zwischenraum zwischen Falthülse und Gewindeelement eine weitere kleine Hülse so eingeklebt wird, daß sie mit ihrem vorderem Ende (Ende, das in der Sandwichplatte verschwindet) gegen den in der Sandwichplatte liegenden Anschlag des Gewindeelementes stößt.14. A method for producing a metallic attachment point for sandwich panels, characterized in that
a hole is drilled into a sandwich plate, into which a large folding sleeve provided with an adhesive on its surface is inserted, which is opened up to its original round cross-section by one or two calibration pins,
a threaded element with a stop is temporarily glued into this large sleeve,
Another small sleeve is glued into the space between the folding sleeve and the threaded element in such a way that its front end (end that disappears in the sandwich plate) abuts the stop of the threaded element located in the sandwich plate. 15. Verfahren zur Herstellung eines metallischen-Befestigungspunktes für Sandwichplatten nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Falthülse bevor sie im gefalteten Zustand in die Bohrung der Sandwichplatte eingeführt wird, an ihrer Außenkontur mit einem Folienklebstoff versehen ist.15. A method of making a metallic attachment point for Sandwich panels according to claim 14 characterized in that the folding sleeve before it is folded into the hole in the sandwich panel is introduced, is provided on its outer contour with a film adhesive. 16. Verfahren zur Herstellung eines metallischen-Befestigungspunktes für Sandwichplatten nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Hülse als Einheit so in den mit pastösem Klebstoff versehenen Zwischenraum zwischen Falthülse und Gewindeelement eingeklebt wird, daß immer ein gewisser Klebstoffanteil herausfließt (Klebstoffüberschuß).16. Method of making a metallic attachment point for Sandwich panels according to claim 14 characterized in that the short sleeve as a unit in the pasty adhesive Gap between the folding sleeve and threaded element is glued in that a certain amount of adhesive always flows out (excess adhesive). 17. Verfahren zur Herstellung eines metallischen-Befestigungspunktes für Sandwichplatten nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Hülse in einzelnen Schalenteilen so in den mit pastösem Klebstoff versehenen Zwischenraum zwischen Falthülse und Gewindeelement eingeklebt wird, daß immer ein gewisser Klebstoffanteil ausdringt (Klebstoffüberschuß).17. Method of making a metallic attachment point for Sandwich panels according to claim 14 characterized in that the short sleeve in individual shell parts with paste-like adhesive glued space between the folding sleeve and threaded element glued is that a certain amount of glue always escapes (excess glue). 18. Verfahren zur Herstellung eines metallischen-Befestigungspunktes für Sandwichplatten nach Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Hülse als Einheit oder aber in einzelnen Schalenteilen eine Länge hat, die der Schaftlänge des metallischen Befestigungselementes entspricht.18. Method of making a metallic attachment point for Sandwich panels according to claim 16 or 17 characterized in that the short sleeve has a length as a unit or in individual shell parts, which corresponds to the shaft length of the metallic fastening element.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB2421556A (en) * 2004-12-27 2006-06-28 Blum Gmbh Julius Method of anchoring a plug element in a building board
US9555588B2 (en) 2008-10-08 2017-01-31 General Electric Company Insert for forming an end connection in a uni-axial composite material

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