DE102005024408A1

DE102005024408A1 - Verstärkung von Schaumwerkstoffen

Info

Publication number: DE102005024408A1
Application number: DE102005024408A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen WEBER; Markus Siemetzki; Gregor Christian Endres
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-11-30
Also published as: US20090252917A1; CA2604572A1; JP5047951B2; EP1883526A1; BRPI0609920A2; CN101184606B; EP1883526B1; CN101184606A; JP2008545551A; RU2408461C2; RU2007148330A; CA2604572C; DE602006018902D1; US9289927B2; WO2006125561A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung von Schaumwerkstoffen (1), einen verstärkten Kernverbund (5) sowie ein entsprechend ausgestattetes Flugzeug. Bei dem Verfahren wird ein Schaumwerkstoff (1) mit Faserbündeln (3) versehen, die mit einer Nadel (8) in den Schaumwerkstoff (1) eingebracht werden. Dabei wird mit der Nadel (8) zunächst von einer Seite aus ein Durchgangsloch (2) in den Schaumwerkstoff (1) gestochen, um dann ein auf der anderen Seite befindliches Faserbündel (3) mit der Nadel (8) aufzugreifen und in den Schaumwerkstoff (1) einziehen zu können.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verbundwerkstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Schaumwerkstoffs. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kernverbundbauteil mit einem verstärkten Schaumwerkstoffkern sowie ein Flugzeug mit solch einem Kernverbundbauteil oder mit einem Strukturbauteil das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Aufgrund ihres guten Verhältnisses von Steifigkeit bzw. Festigkeit zur Dichte finden im Bereich des Flugzeugbaus Verbundwerkstoffe und insbesondere Sandwichkonstruktionen einen breiten Anwendungsbereich. Kernverbunde werden im Allgemeinen aus einer oberen und einer unteren Deckschicht bzw. -lage gebildet, zwischen denen sich zur Erhöhung der Steifigkeit beispielsweise eine aus vertikal verlaufenden Zellen mit hexagonalem Querschnitt gebildete, wabenartige Kernstruktur befindet.

Des weiteren können Eigenschaften wie beispielsweise akustische oder thermische Isaolation (so genannte multifunktionale Eigenschaften) bei richtiger Kernstrukturauswahl durch den Kernverbund übernommen werden. Zusätzliche Maßnahmen durch separate Komponenten lassen sich dadurch möglicherweise einsparen, wodurch in der Folge eine Gewichtsreduzierung der Gesamtkonzeption erreicht wird.

Alternativ zu einem Aufbau mit einer Wabenstruktur kommen Hartschaumstoffe zum Einsatz. Diese weisen unter anderem im Bereich thermischer und akustischer Isolation sowie bei der Bauteilherstellung Vorteile gegenüber den Wabenstrukturen auf. Nachteilhaft bei schaumbasierten Kernverbunden sind die zu erwartenden niedrigeren mechanischem Eigenschaften, im Vergleich zu Kernverbunden mit einer wabenartigen Kernstruktur vergleichbarer Dichte. Um diese zu kompensieren, werden Nähtechniken eingesetzt, mit denen Fasern oder Fäden in Hartschaumbauteile eingebracht werden können. Nach einem Harzinfiltrationsprozess tragen die mit Fasern durchsetzten Bereiche dann zur mechanischen Verstärkung des Schaumstoffs bei.

Einen bekannten durch Nähstiche verstärkten Kernverbund beschreibt beispielweise die US 6,187,411 . Zur Verstärkung wird dieser Kernverbund mit einem Faden in einem Zweiseitnähverfahren vernäht, wobei mittels bekannter Verfahrenstechnik ein Oberfaden von einer Decklage des Kernverbunds aus mit einer Nadel in den Schichtaufbau eingestochen wird, um im der Nähe der anderen Decklage von einem Unterfaden in dem Schichtaufbau gehalten zu werden. Hierdurch entsteht beim Rückzug der Nadel aus dem Schichtaufbau eine Schlaufe. Ein derartiges Zweiseitenähverfahren wird auch in der US 4,196,251 beschrieben, bei der sich der Unterfaden parallel zu der zweiten Deckschicht und im Wesentlichen rechtwinklig zum Verlauf des Oberfadens erstreckt. Auch die US 5,624,622 beschreibt einen durch ein Nähverfahren verstärkten Schaumkernverbund, wobei zur Vernähung bekannte Kettstich- oder Steppstichnähverfahren eingesetzt werden.

Die bekannten Nähverfahren weisen die Gemeinsamkeit auf, dass zunächst eine Nadel den Schaumstoff durchdringt und dabei gleichzeitig den Faden in den Schaumstoff einbringt. Hierbei erstreckt sich während des Einstechens in den Schaumstoff der Faden im Wesentlichen über die ganze Länge parallel zu der Nadel. Die Lochgröße des Einstichloches wird somit durch den Nadeldurchmesser und die Stärke des Fadens bestimmt.

Ein Nachteil all dieser bekannten Verfahren besteht daher darin, dass nach dem Rückzug der Nadel aus dem Schaumstoff das verbleibende Loch im Verhältnis zur Stärke des eingebrachten Fadens zu groß ist. Dies führt dazu, dass nach der Infiltration mit einem Harz der nicht mit Fasern ausgefüllte Lochbereich mit Harz gefüllt ist, wodurch die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nicht wie gewünscht durch die Fasern übernommen wird, sondern verfahrensabhängig im Wesentlichen auf dem eingebrachten Harz beruht. Die Verbesserung der spezifischen, das heißt gewichstbezogenen mechanischen Eigenschaften ist im Vergleich zu Wabenstrukturen jedoch zu gering für das im Flugzeugbau notwendige Leichtbaupotential, so dass eine Anwendung derartig verstärkter Schaumstoffe nur selten in Frage kommt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Verstärkung von Schaumwerkstoffen mit Fasern oder Faserbündeln dahingehend zu verbessern, dass im Wesentlichen die eingebrachten Fasern für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffkerns verantwortlich sind.

Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem Schaumwerkstoff gesprochen wird, so ist hierunter ein jedes Kernmaterial zu verstehen, das bei Kernverbunden als Kernmaterial zum Einsatz kommen kann. So handelt es sich vorzugsweise bei diesen Schaumwerkstoffen um tatsächliche Schaummaterialien, jedoch können hierunter im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls Textilien wie beispielsweise Filze oder beliebige andere Fasergelege verstanden werden. So lässt das beschriebene Verfahren ohne Schwierigkeiten genauso gut eine Anwendung auf textile Halbzeuge, insbesondere Filze oder Fasergelege, zur Verbesserung deren Eigenschaften in einer weiteren Dimension, zu. Außerdem werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Faserbündel Rowings aus einer Vielzahl von Einzelfasern oder Monofilamenten, Einzelfasern selbst sowie Fäden, die durch Verzwirnung von Einzelfasern oder Faserbündeln entstanden sind, verstanden. Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung von der Stärke eines Faserbündels gesprochen wird, so ist hierunter die Summe aller Einzelfasern in einer komprimierten Form zu verstehen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional verstärkten Schaumwerkstoffs, durch ein entsprechend hergestelltes Kernverbundbauteil sowie durch eine Anwendung, beispielsweise aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrt, und insbesondere durch ein Flugzeug gelöst, das mit solch einem Kernverbundbauteil ausgestattet ist oder ein Strukturbauteil aufweist, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Faserbündel zur Verstärkung eines Schaumwerkstoffs nicht gleichzeitig während der Herstellung der Löcher, in welchen die Faserbündel letztendlich gerichtet vorliegen sollen, einzubringen, sondern den Schaumwerkstoff zunächst von einer ersten Oberfläche aus in Richtung einer zweiten Oberfläche mit einem Durchgangsloch zu versehen, um dann anschließend ein Faserbündel, welches jenseits der zweiten Oberfläche bereitgestellt wurde, in das Durchgangsloch in Richtung der ersten Oberfläche einzuziehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher zunächst in einem ersten Schritt ein Durchgangsloch in einem Schaumwerkstoff erzeugt, welches sich von einer ersten Oberfläche des Schaumwerkstoffs zu einer zweiten Oberfläche des Schaumwerkstoffs erstreckt. Bei dem in der Rede stehenden Schaumwerkstoffen kann es sich um dreidimensionale Geometrien mit gegenüberliegenden Oberflächen handeln, wobei nur in einem einfachen Fall parallele Oberflächen vorliegen. Häufig weisen die Kernwerkstoffe dreidimensionale Krümmungen, Dickensprünge u.ä. auf.

Bereits vor, während oder auch erst nach der Herstellung des Durchgangsloches wird jenseits der zweiten Oberfläche des Schaumwerkstoffs zumindest ein Faserbündel bereitgestellt. Sofern hier von jenseits der zweiten Oberfläche gesprochen wird, so bedeutet dies, dass sich das Faserbündel näher bei der zweiten Oberfläche als bei der ersten befindet. Nachdem das Durchgangsloch in dem Schaumwerkstoff hergestellt worden ist, kann dann anschließend das zumindest eine Faserbündel aus Richtung des Durchgangslochs aufgegriffen werden, um es anschließend in das Durchgangsloch in dem Schaumwerkstoff einzuziehen. Mit anderen Worten wird quasi durch das Durchgangsloch von der ersten Oberfläche des Schaumwerkstoffs aus hindurchgegriffen, um das auf der anderen Seite befindliche Faserbündel aufzunehmen bzw. zu ergreifen und durch das Durchgangsloch hindurch in Richtung der ersten Oberfläche zu ziehen. Das Hindurchgreifen kann dabei gleichzeitig mit dem Erzeugen des Durchgangsloches, indem beispielweise eine Nadel durch den Schaumwerkstoff hindurchgestochen wird, oder in einem Folgeschritt erfolgen.

Wie bereits zuvor erläutert, kann es sich bei den Schaumwerkstoffen um beliebige Schaumstoffe handeln, jedoch erweisen sich im Bereich der Luftfahrt hochwertige PMI-Hartschaumstoffe als vorteilhaft. Selbstverständlich können jedoch auch andere Schaumstoffe verwendet werden, die beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Polyurethanen bestehen. Anstelle Schaumwerkstoffe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verstärken, können auch Textilien wie beispielsweise Filze oder beliebige andere Fasergelege unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verstärkt werden, welche im Rahmen der Erfindung ebenfalls unter dem Oberbegriff der Schaumwerkstoffe subsumiert werden können.

Die Durchgangslöcher können in den Schaumwerkstoff unter beliebiger Winkellage eingebracht werden. Die Orientierung der Durchgangslöcher kann insbesondere individuell auf die jeweilige Form des zu verstärkenden Schaumwerkstoffes sowie die im Betrieb zu erwartenden Lastsituationen angepasst werden. Das Verfahren gibt die Möglichkeit, eine Kernstruktur für einen spezifischen Last- und Anwendungsfall Maß zu schneidern.

Wie bereits erläutert wurde, wird das zumindest eine Faserbündel jenseits der zweiten Oberfläche des Schaumwerkstoffs bereitgestellt. Um das Faserbündel gut aufgreifen zu können, kann es beispielsweise im Bereich des Durchgangsloches in der Nähe der zweiten Oberfläche geradlinig gestreckt gehalten werden, um es mit einem Haken oder dergleichen sicher aufgreifen zu können. Wenn solch ein geradlinig gestrecktes Faserbündel aufgegriffen wird, um es in das Durchgangsloch einzuziehen, wird es auf sich selbst einmal zusammengelegt, sodass eine Schlaufe gebildet wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Anzahl der (Mono)filamente, welche sich im Endzustand durch das Durchgangsloch hindurch erstrecken, doppelt so groß ist wie die Anzahl der Einzelfasern des Faserbündels im Ausgangszustand. Alternativ kann zum Aufgreifen auch bereits eine Schlaufe bereit gestellt werden, so dass der Faltungsprozess entfällt. Bei den eingesetzten Faserwerkstoffen kann es sich beispielsweise um Aramid-, Kohle-, Nylon-, Polyester-, Metall- oder Glasfasern handeln, wobei beliebige andere Fasermaterialien ebenfalls zum Einsatz kommen können. Häufig handelt es sich bei den Faserbündeln um 12K-Rowings, also um Faserbündel mit 12.000 Monofilamenten. Um die durch die Rowings erzeugte Versteifungswirkung weiter zu erhöhen, können jedoch selbstverständlich auch Rowings mit mehr oder weniger als 12.000 Fasern zum Einsatz kommen, wie beispielsweise 24K-Rovings (24.000 Einzelfasern) als auch solche mit noch mehr Fasern.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die spezifischen mechanischen Eigenschaften von Schaumwerkstoffen erhöhen, wie sie in einer Vielzahl von Einsatzgebieten zur Anwendung kommen. In erster Linie finden derartige verstärkte Schaumwerkstoffe überall dort Anwendung, wo es darauf ankommt, hohe Festigkeitsanforderungen mit nur geringem Material- und Gewichtaufwand zu erfüllen. Ein klassisches Gebiet, bei dem derartige verstärkte Schaumwerkstoffe zum Einsatz kommen, ist der Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, da hier stets höchste Anforderungen an die Steifigkeit bzw. Festigkeit der Strukturbauteile gestellt werden, wobei es als Randbedingung stets gilt, das Gewicht möglichst gering zu halten. So können in der Luft- und Raumfahrttechnik unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise Klappen, Ruder oder Rumpfstrukturen sowie Verkleidungsteile beziehungsweise Teile des Interiors unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Automobil-, Bau- oder Möbelindustrie sowie beliebigen anderen Industriezweigen zum Einsatz kommen, bei denen es häufig auf hohe Festigkeitseigenschaften der eingesetzten Materialen bei gleichzeitiger Gewichtsminimierung ankommt. Das erfindungsgemäße Verfahren findet darüber hinaus überall dort Anwendung, wo neben den angesprochenen Festigkeitsanforderungen weiterhin Wert auf thermische und/oder akustische Isolationseigenschaften gelegt wird, da die bei dem Verfahren eingesetzten Schaumwerkstoffe derartige Eigenschaften infolge ihrer leichten Kompressibilität bereits von Haus aus mitbringen.

Das Durchgangsloch in dem Schaumwerkstoff kann hergestellt werden, indem eine Nadel von der ersten Oberfläche des Schaumwerkstoffs durch denselben hindurch gestochen wird, bis die Nadel durch die zweite Oberfläche des Werkstoffs wieder austritt. Die Nadel sollte einen möglichst geringen Schaftdurchmesser aufweisen, um das Durchgangsloch nicht mit einem zu großen Querschnitt herzustellen. Insbesondere sollte die Querschnittsfläche des Nadelschaftes nicht größer sein als die Stärke des durch das Durchgangsloch hindurch gezogenen Faserbündels (beziehungsweise nicht mehr als doppelt so groß als die einfache Stärke des Faserbündels im gestreckten Ausgangszustand).

Um das zumindest eine Faserbündel aufzunehmen, kann es beispielsweise in der Nadel eingehakt werden. Hierzu kann die Nadel eine Spitze mit einer Öse aufweisen, welche auf einer Seite mit einer Öffnung versehen ist, sodass das Faserbündel durch diese seitliche Öffnung hindurch in die Öse im Bereich der Spitze der Nadel eingeführt werden kann.

Indem zur Herstellung des Durchgangslochs eine Nadel verwendet wird, deren Schaft eine möglichst geringe Querschnittsfläche aufweist, kann gewährleistet werden, dass das hergestellte Durchgangsloch eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer als die Stärke des hindurch gezogenen Faserbündels ist. Durch diese Dimensionierungsvorgabe der Querschnittsfläche des Durchgangslochs kann erreicht werden, dass das Faserbündel beim Einziehen in das Durchgangsloch verdichtet wird, sodass die Einzelfasern möglichst dicht beieinander liegen und sich möglichst parallel zur Innenwandung des Durchgangslochs durch dieses hindurch erstrecken. Um das Einziehen und Verdichten der Einzelfaser zu erleichtern, kann an der Stelle, an der das jeweilige Faserbündel in den Schaumwerkstoff eingezogen wird, eine Trichterförmige Düse angeordnet werden, durch welche das Faserbündel in den Schaumwerkstoff eingezogen und zusätzlich verdichtet wird. Da die Einzelfasern jedoch in aller Regel einen runden Querschnitt aufweisen, bleibt auch in dem so verdichteten Zustand des Faserbündels zwischen den Einzelfasern ausreichend Platz übrig, um später beispielsweise durch Vakuumbeaufschlagung ein Matrixsystem – insbesondere duroplastischer Natur – in die Durchgangsöffnung und zwischen die Einzelfasern einbringen zu können.

Wie aus den vorangegangen Erläuterungen deutlich geworden ist, wird, indem das zumindest eine Faserbündel jenseits der zweiten Oberfläche beispielsweise durch eine Nadel aufgegriffen wird, sichergestellt, dass beim Zurückziehen der Nadel das hergestellte Durchgangsloch nicht unerwünscht vergrößert wird. Da die Nadel beim Rückzug mit ihrer Spitze zum Schluss wieder in das Durchgangsloch eindringt, wird nämlich die Nadel gefolgt von dem zumindest einen Faserbündel durch das Durchgangsloch in dem Schaumwerkstoff hindurchgezogen. Das Faserbündel erstreckt sich somit während des Einziehens in das Durchgangsloch nicht parallel zum Schaft der Nadel, sondern folgt selbiger nach und überschneidet sich lediglich im Bereich der Spitze mit der Nadel, wo diese ihre minimale Dicke aufweist, die nur einen geringen Beitrag zur Stärke des Faserbündels leistet.

Nachdem das zumindest eine Faserbündel in der voran beschriebenen Art und Weise durch das Durchgangsloch hindurch gezogen worden ist, kann es entweder an der ersten und/oder der zweiten Oberfläche bündig abgeschnitten werden. Anstatt dessen können die über die Oberflächen hinausstehenden Enden des Faserbündels auch flach an den Oberflächen angelegt und dort verklebt werden. Im Falle, dass es sich bei dem zu verstärkenden Schaumwerkstoff um einen Kernverbund handelt, können die ersten und/oder zweiten Oberflächen durch eine Decklage bzw. Deckschicht der Sandwichstruktur gebildet werden. In diesem Falle erstreckt sich das zuvor hergestellte Durchgangsloch sowohl durch den Schaumwerkstoff als auch durch die ihn bedeckenden Decklagen, sodass sich auch das hindurch gezogene Faserbündel durch diese drei Lagen hindurch erstreckt. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, einen nackten Schaumwerkstoff in der zuvor beschriebenen Weise mit Faserbündeln zu durchsetzen, um ihn anschließend beiderseits mit entsprechenden Decklagen zu versehen, wobei die überstehenden Enden der Faserbündel zwischen Decklage und Schaumwerkstoff angelegt und festgeklebt oder einlaminiert werden.

Um letztendlich den Verbund zwischen den einzelnen Fasern sowie den Fasern und dem Schaumwerkstoff herzustellen, kann in einem abschließenden Verfahrensschritt das mit dem zumindest einen Faserbündel durchsetzte Durchgangsloch mit einem Harz infiltriert werden. Die Infiltration kann beispielsweise erfolgen, indem auf einer Seite des Schaumwerkstoffs ein Vakuum angelegt wird, um so durch das Durchgangsloch ein auf der anderen Seite befindliches Harz hindurchzusaugen. Alternativ kann jedes andere bekannte Infiltrationsverfahren eingesetzt werden.

Um einen Schaumwerkstoff mit dem beschriebenen Verfahren mit Faserbündeln zu verstärken, ist es erforderlich, das Verfahren mehrfach durchzuführen, um so den Schaumwerkstoff an einer Vielzahl von Stellen mit Faserbündeln zu durchsetzen. Daher beginnt das Verfahren an einer anderen Stelle von neuem, nachdem das zumindest eine Faserbündel durch das Durchgangsloch in dem Schaumwerkstoff hindurch gezogen worden ist. Anstelle mit dem Verfahren nur lediglich immer an einer Stelle des Schaumwerkstoffs ein Loch herzustellen, um anschließend ein Faserbündel hindurch zu ziehen, kann das Verfahren auch gleichzeitig an einer Vielzahl von Stellen parallel durchgeführt werden. So könnte beispielsweise gleichzeitig eine Vielzahl an Nadeln durch den Schaumstoff hindurch gestochen werden, und auf der anderen Seite des Schaumwerkstoffs eine entsprechend Vielzahl an Faserbündeln bereitgestellt werden, sodass diese von den Nadeln aufgegriffen und durch die von den Nadeln hergestellten Durchgangslöcher durch den Schaumwerkstoff hindurch gezogen werden können. Durch geeignete Verfahrenskonzeption bei der Bereitstellung der Faserbündel besteht zudem die Möglichkeit, ein mehrere Löcher verbindendes Faserbündel zu generieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die derselben zugrunde liegende Aufgabe mit einem erfindungsgemäßen Kernverbundbauteil gelöst. Das erfindungsgemäße Kernverbundbauteil umfasst einen Schaumwerkstoffkern mit zwei sich gegenüber liegenden ersten und zweiten Oberflächen. Der Schaumwerkstoffkern ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern durchsetzt, die sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstrecken. Hierbei ist jedes dieser Durchgangslöcher mit einem Faserbündel durchzogen, wobei die Durchgangslöcher eine Querschnittsfläche aufweisen, die von den Faserbündeln im Wesentlichen voll ausgefüllt und mit einer Matrix versehen sind. Die einzelnen Fasern des Faserbündels erstrecken sich dabei geradlinig durch das jeweilige Durchgangsloch.

Das erfindungsgemäße Kernverbundbauteil zeichnet sich durch hochwertige Festigkeits- bzw. Steifigkeitseigenschaften bei nur geringem Gewicht des Bauteils aus. Dieses optimierte Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht beruht auf der Tatsache, dass die Durchgangslöcher von den Faserbündeln im Wesentlichen voll ausgefüllt sind, wodurch der Harzanteil in den Durchgangslöchern gering gehalten werden kann.

Infolge der hochwertigen Festigkeitseigenschaften des erfindungsgemäßen Kernverbundbauteils findet dieses überall dort Anwendung, wo es einerseits auf hohe Festigkeiten ankommt und andererseits gleichzeitig das Gewicht möglichst gering gehalten werden sollte. Ein wichtiges Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäßen Kernverbundbauteile ist daher die Luft- und Raumfahrttechnik, da hier selbstverständlich stets auf eine Gewichtsminimierung geachtet werden muss. So können in der Luft- oder Raumfahrttechnik beispielsweise Klappen, Ruder oder Rumpfstrukturen sowie Verkleidungsteile beziehungsweise Teile des Interiors in Form des erfindungsgemäßen Kernverbundbauteils gefertigt werden. Andere Anwendungsgebiete können beispielweise die Automobil-, Bau- oder Möbelindustrie sowie jegliche andere Industriezweige sein, in denen es häufig auf eine Optimierung des Verhältnisses von Festigkeit und Gewicht ankommt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kernverbundbauteil handelt es sich in erster Linie um flächige Bauteile, mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen, wobei in einem einfachen Fall parallele Oberflächen vorliegen. Häufig weisen Kernverbundkonstruktionen dreidimensionale Krümmungen, Dickensprünge u.ä. auf.

Bei dem Schaumwerkstoffkern kann es sich um einen beliebigen Schaumstoff handeln, jedoch erweisen sich im Bereich der Luftfahrt hochwertige PMI-Hartschaumstoffe als vorteilhaft. Es können jedoch auch andere Schaumstoffe verwendet werden, die beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Polyurethanen bestehen. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch Textilien wie beispielsweise Filze oder beliebige andere Fasergelege unter dem Oberbegriff der Schaumwerkstoffe subsumiert werden.

Damit die in dem Schaumwerkstoff ausgebildeten Durchgangslöcher nicht überwiegend mit Harz gefüllt sind, wodurch das Kernverbundbauteil unerwünscht schwer und die Festigkeitseigenschaften herabgesetzt werden würden, weisen die Durchgangslöcher eine Querschnittsfläche auf, die geringer ist als die Stärke des hindurch gezogenen Faserbündels, sodass das Faserbündel beim Hindurchziehen verdichtet und das Durchgangsloch möglicherweise geringfügig erweitert wird. Hierdurch kann nicht nur die Dichte des Kernverbundbauteils gering gehalten, sondern auch gleichzeitig erreicht werden, dass die einzelnen Fasern des Faserbündels sich im Wesentlichen geradlinig durch das Durchgangsloch hindurch erstrecken, da die einzelnen Fasern bei diesem Verdichtungsvorgang gerade gezogen werden.

Da die Kernverbundbauteile in aller Regel aus mindestens drei Schichten bestehen (einem Kern- und zwei Decklagen) kann sich die Vielzahl an Durchgangslöchern direkt von der einen zur anderen Decklage erstrecken, sodass die erste und/oder die zweite Oberfläche des Kernverbundbauteils durch jeweils eine Decklage gebildet wird. Die Faserbündel können sich somit durch das gesamte Kernverbundbauteil einschließlich der Decklagen hindurch erstrecken.

Je nach Fertigungs- und Einsatzbedingungen können die Faserbündel entweder bündig an der ersten und/oder der zweiten Oberfläche enden oder an der ersten und/oder der zweiten Oberfläche flach angelegt sein. Im Falle, dass es sich bei den Oberflächen um eine Decklage handelt, enden die Faserbündel somit entweder bündig an einer Decklage oder können an deren Oberseite flach angelegt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Faserbündel direkt bündig mit dem Schaumwerkstoffkern enden oder an diesen flach angelegt sind, auf den beiderseits entsprechende Decklagen auflaminiert sein können.

Wie aus den vorangegangenen Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Kernverbundbauteils deutlich geworden ist, kann dieses unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines verstärkten Schaumwerkstoffs hergestellt werden, wie es eingangs ausführlich beschrieben worden ist. Somit lassen sich die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens getroffenen Ausführungen in entsprechender Weise ebenfalls auf das Kernverbundbauteil sinngemäß übertragen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei
1 zeigt einen Ausgangszustand des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 erläutert exemplarisch mehrere der Verfahrensschritte;
3 erläutert exemplarisch einen weiteren Verfahrensschritt;
4 zeigt einen mit einem Faserbündel durchsetzten Schaumwerkstoff;
5 zeigt ein erstes verstärktes Kernverbundbauteil;
6 zeigt ein zweites verstärktes Kernverbundbauteil; und
7a bis 7c zeigen drei unterschiedlich ausgebildete Nadeln, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.
In allen Figuren sind gleiche oder ähnliche Komponenten mit übereinstimmenden Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Darstellungen in den Figuren erläutern das Verfahren sowie das erfindungsgemäße Kernverbundbauteil rein schematisch und können teilweise nicht maßstäblich sein.
BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In der 1 ist eine Hakennadel 8 vor dem Einstich in einen Schaumwerkstoff 1 gezeigt. Die Hakennadel 8 weist als Besonderheit an ihrer Spitze einen Ösenbereich auf, der auf einer Seite geöffnet ist, worauf später unter Bezugnahme auf die 7a bis 7c noch genauer eingegangen wird. Bei dem Schaumwerkstoff 1 handelt es sich beispielsweise um einen PMI-Hartschaumstoff oder einen Schaumstoff geringerer Güte wie beispielsweise einen PVC-Schaumstoff oder einen Polyurethanschaumstoff. Bei dem Schaumwerkstoff 1 kann es sich ebenso um einen textilen Werkstoff wie beispielsweise einen Filz oder ein beliebiges anderes Fasergelege handeln. Wie in der 1 gezeigt ist, befindet sich die Nadel 8 unter einem Winkel α zur Senkrechten. Der Winkel α kann im Bereich zwischen 0 und 90° variiert werden, um so ein Faserbündel unter einem beliebigen Winkel α in den Schaumwerkstoff 1 einbringen zu können. Hierdurch kann eine "maßgeschneiderte" Verstärkung erreicht werden, um auf bestimmte Belastungssituationen, denen der Schaumwerkstoff 1 im späteren Kernverbund unterworfen sein wird, speziell einzugehen. Zwar ist der Winkel α auf Grund der zweidimensionalen Darstellung hier ebenfalls nur zweidimensional dargestellt, jedoch kann es sich bei diesem Winkel α selbstverständlich um einen Raumwinkel handeln, sodass das Durchgangsloch und das darin später befindliche Faserbündel unter einem beliebigen Raumwinkel in den Schaumwerkstoff 1 eingebracht werden kann.
Die 2 zeigt ein Stadium des Herstellungsverfahrens, in dem die Nadel 8 den Schaumstoffwerkstoff 1 mit ihrer Spitze gerade durchdrungen hat. In Folge dieses Durchdringungsvorgangs wurde in dem Schaumwerkstoff 1 ein Durchgangsloch 2 eingebracht, welches sich somit unter dem Raumwinkel α durch den Schaumwerkstoff 1 hindurch erstreckt. Unterhalb des Schaumwerkstoffs 1 im Bereich des Austrittspunktes der Nadel 8 befindet sich ein Faserbündel 3 (beispielsweise ein 24K-Rowing), das in nächster Nähe zur Unterseite des Schaumwerkstoffs 1 zu einer Schlaufe geformt wurde. Diese Schlaufe des Faserbündels 3 kann somit mit der Hakennadel 8 aufgegriffen werden, um das Faserbündel 3 beim Zurückziehen der Nadel 8 durch den Schaumwerkstoff 1 hindurch in diesen einzuziehen.
Zwar ist das Faserbündel 3 in der 2 der Anschaulichkeit halber als Schlaufe dargestellt, jedoch kann das Faserbündel 3 in der Praxis unterhalb des Schaumwerkstoffs 1 und parallel dazu geradlinig gespannt angeordnet sein, um dieses gestreckte Faserbündel 3 unterhalb des Schaumwerkstoffs 1 mit Hilfe der Nadel 8 aufzugreifen. Das Faserbündel 3 weist eine einfache Stärke S auf, sodass der zu einer Schlaufe zusammengelegte Faserbündelstrang der 2 eine ungefähr doppelte Stärke von 2S aufweist.
In der 3 befindet sich die Nadel 8 bereits wieder auf dem Rückzug aus dem Schaumwerkstoff 1. Infolge dieses Rückziehens wird das von der Nadel 8 aufgegriffene Faserbündel 3 an der Unterseite des Schaumstoffwerkstoffs 1 in das Durchgangsloch 2 hineingezogen, wobei das Faserbündel 3 beim Eindringen in das Durchgangsloch verdichtet wird. Diese Verdichtung kommt dadurch zustande, dass die Nadel 8 und infolgedessen auch das Durchgangsloch 2 eine Querschnittsfläche aufweist, die geringer als die doppelte Stärke 2S des hindurch gezogenen Faserbündels ist. Durch diese Verdichtung und infolge der durch die Nadel 8 auf das Faserbündel ausgeübten Zugkraft werden die einzelnen Fasern des Faserbündels 3 in der Durchgangsöffnung 2 im Wesentlichen geradlinig ausgerichtet und dicht zusammengedrängt, sodass nur noch sehr feine Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern verbleiben.
In der 4 befindet sich letztendlich das gesamte Faserbündel 3 in dem Schaumwerkstoff 1 unter dem Winkel α eingezogen, wobei die Nadel 8 bereits von dem Faserbündel 3 entkoppelt worden ist. Das Faserbündel 3 kann nun beispielsweise bündig auf beiden Seiten des Schaumwerkstoffs 1 abgeschnitten werden, um anschließend das Durchgangsloch 2 mit einem Harz zu infiltrieren.
Alternativ dazu können die in der 4 gezeigten Enden des Faserbündels 3 an den beiden Oberflächen des Schaumwerkstoffs 1 angelegt und daran festgeklebt werden. Zur Verklebung könnten beispielsweise auf beiden Oberflächen des Schaumwerkstoffs 1 Decklagen 7 auflaminiert werden, die jedoch in der 5 nicht gezeigt sind, wodurch die Enden der Faserbündel 3 dicht an die Oberflächen des Schaumwerkstoffs 1 angelegt und mit diesem verklebt werden.
Anstelle nur den Kern eines Kernverbundkörpers in der zuvor beschriebenen Weise mit einem Durchgangsloch 2 zu durchsetzen, um darin ein Faserbündel 3 einzuziehen, ist es wie in der 6 dargestellt ebenfalls möglich, auch die Decklagen 7 mit der Nadel 8 zu durchsetzen, um anschließend durch den gesamten Kernverbundkörper 5 ein Faserbündel 3 hindurch zu ziehen, dessen Enden, wie in der 6 dargestellt, wiederum an den Decklagen 7 flach angelegt und angeklebt oder bündig an den Decklagen 7 abgeschnitten werden können.
7a bis 7c zeigen abschließend drei unterschiedlich ausgestaltete Nadeln, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die 7a zeigt eine erste Ausführungsform einer Hakennadel 8, die einen geradlinigen Schaft 9 aufweist, welcher sich an seiner Vorderseite zu einer Spitze 10 verjüngt. Im Bereich der Spitze 10 weist die Nadel 8 eine Öse 11 auf, die jedoch auf einer Seite mit einer Öffnung versehen ist, um dadurch ein Faserbündel 3 in den Ösenbereich 11 der Nadel 8 einbringen zu können. Der Ösenbereich 11 der Hakennadel 8 besteht somit aus einem zur Spitze 10 durchgehenden ersten Schenkel 12, und einem zweiten Schenkel 13, welcher sich von der Spitze 10 (konvex gekrümmt) zurück in Richtung des Schafts 9 erstreckt, ohne diesen jedoch zu erreichen.
Die in der 7b dargestellte Hakennadel 8 entspricht im Wesentlichen der in der 7a Gezeigten, weist jedoch zusätzlich zu dieser einen Verschlussmechanismus 14 auf, welcher ausgebildet ist, um die Öffnung der Öse 11 während des Herausziehens der Hakennadel 8 aus einem Schaumstoffwerkstoff 1 zu verschließen. Der Verschlussmechanismus 14 besteht im Wesentlichen aus einer Klappe 15, welche in ihrer Ausgangsstellung in einem verjüngten Bereich 16 am Schaft der Nadel 8 zum Liegen kommt. Sobald diese Klappe 15 beim Herausziehen der Nadel 8 aus dem Schaumwerkstoff 1 an diesem mit ihrem freien Ende anstößt, bewegt sich diese gegen den Uhrzeigersinn aus ihrer Ausgangsstellung in eine Stellung, in der sie die Öffnung der Öse 11 vollständig verschließt, wie dies in der 7b gezeigt ist. Hierdurch wird zum einen verhindert, dass beim Herausziehen der Nadel 8 aus dem Schaumwerkstoff 1 das Hakenende des zweiten Schenkels 13 die Innenwandung eines Durchgangslochs 2 in dem Schaumwerkstoff 1 verletzt. Zum anderen wird durch den Verschlussmechanismus 14 sichergestellt, dass keine Fasern während des Einziehens in den Schaumwerkstoff 1 sich aus dem Faserbündel 3 lösen. Wird der Schaumwerkstoff 1 inklusive bereits applizierter Decklagen 7 oder ein textiles Halbzeug durchstochen, verhindert der Verschlussmechanismus 14, dass auf dem Rückweg Fasern aus den Textilien von der Nadel 8 ergriffen und in das Lochinnere gezogen werden. Ein derartiger Vorgang, wie er beim Vernadeln von beispielsweise Filzen bewusst gewollt wird, könnte in diesen Anwendungsfällen zu einem Verlust bei den mechanischen Eigenschaften des späteren Verbundes führen.
Die 7c zeigt letztendlich eine dritte Ausführungsform einer Nadel 8, die in ihrem Spitzenbereich 10 eine linsenförmige Öse 11 aufweist. Anstelle ein Faserbündel 3 wie mit den beiden zuvor beschriebenen Nadeln durch die Öffnung in der Öse aufgeifen zu können, muss durch die Öse 11 der Nadel der 7c ein Faserbündel 3 in Längsrichtung hindurch gesteckt oder geschossen werden, um so die Verbindung mit der Nadel herzustellen.

1: Schaumwerkstoff
2: Durchgangsloch
3: Faserbündel/Rowing
4: Einstichwinkel α
5: Kernverbundbauteil
6: flach angelegtes Faserende
7: Decklage
8: Nadel
9: Schaft
10: Spitze
11: Öse
12: Erster Schenkel
13: Zweiter Schenkel
14: Verschlussmechanismus
15: Klappe
16: Verjüngter Schaftbereich
S: Einfache Stärke eines Faserbündels

Claims

Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Schaumwerkstoffs mit den Schritten: – Erzeugen eines Durchgangsloches (2) in dem Schaumwerkstoff (1), welches sich von einer ersten Oberfläche des Schaumwerkstoffes (1) zu einer zweiten Oberfläche des Schaumwerkstoffes (1) erstreckt; – Bereitstellen zumindest eines Faserbündels (3) jenseits der zweiten Oberfläche des Schaumwerkstoffes (1); – Hindurchgreifen durch das Durchgangsloch (2) ausgehend von der ersten Oberfläche, um das zumindest eine Faserbündel (3) aufzunehmen; und – Einziehen des zumindest einen Faserbündels (3) in das Durchgangsloch (2) in dem Schaumwerkstoff (1).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Durchgangsloch (2) hergestellt wird, indem eine Nadel (8) durch den Schaumwerkstoff (1) hindurch gestochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 wobei das zumindest eine Faserbündels (3) aufgenommen wird, indem es in der Nadel (8) eingehakt wird.
Verfahren einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Durchgangsloch (2) mit einer Querschnittsfläche erzeugt wird, die geringer als eine Stärke 2S des hindurch gezogenen Faserbündels (3) ist, so dass das Faserbündel (3) beim Hindurchziehen verdichtet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Nadel (8) im Wesentlichen gefolgt von dem zumindest einen Faserbündel (3) durch das Durchgangsloch (2) in den Schaumwerkstoff eingezogen wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Abscheren des zumindest einen in das Durchgangsloch (2) eingezogenen Faserbündels (3), so dass es an zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen bündig endet; oder Anlegen des zumindest einen in das Durchgangsloch (2) eingezogenen Faserbündels (3) an zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Ausbilden oder Anordnen einer Decklage (7) auf zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Verfüllen des mit dem zumindest einen Faserbündel durchsetzten Durchgangslochs (2) mit einem Matrixsystem.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren von neuem beginnt, nachdem das zumindest eine Faserbündel (3) in das Durchgangsloch (2) in dem Schaumwerkstoff (1) eingezogen worden ist.
Kernverbundbauteil (5), umfassend: einen Schaumwerkstoffkern (1) mit zumindest einem Durchgangsloch (2) und zumindest einem in dem Durchgangsloch (3) angeordneten Faserbündel (2); wobei das Durchgangsloch (2) eine Querschnittfläche aufweist, die von dem zumindest einen Faserbündel (3) im Wesentlichen voll ausgefüllt ist.
Kernverbundbauteil (5) gemäß Anspruch 10, wobei der Schaumwerkstoffkern (1) zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende Oberflächen aufweist, zwischen denen sich das zumindest eine Durchgangsloch (2) erstreckt.
Kernverbundbauteil (5) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das mit dem zumindest einen Faserbündel (3) durchsetzte zumindest eine Durchgangsloch (2) mit einem Harz infiltriert ist.
Kernverbundbauteil (5) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Querschnittsfläche des zumindest einen Durchgangslochs (2) geringer als eine Stärke 2S des hindurch gezogenen zumindest einen Faserbündels (3) ist, wodurch das Faserbündel (3) infolge des Einziehens in das Durchgangsloch (2) verdichtet ist.
Kernverbundbauteil (5) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Oberflächen des Schaumwerkstoffkerns (1) durch eine Decklage (7) ausgebildet ist.
Kernverbundbauteil (5) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das zumindest eine Faserbündel (3) bündig an zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen endet, oder an zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen flach angelegt ist.
Kernverbundbauteil (5) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Kernverbundbauteil (5) unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
Flugzeug mit einem Kernverbundbauteil (5) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16 oder mit einem Strukturbauteil das unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt worden ist.