DE102005028765A1

DE102005028765A1 - Verstärkungsprofil sowie Verfahren und Fasergelege zur Herstellung des Verstärkungsprofils

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Publication number: DE102005028765A1
Application number: DE102005028765A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Edelmann; Jens Bold
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: RU2007144506A; CN101198518A; CN101198518B; JP2008543670A; DE102005028765B4; US8105523B2; EP1893478A1; JP4977696B2; EP1893478B1; CA2606988A1; DE602006019960D1; RU2424153C2; US20090026315A1; WO2006136560A1; US20120119030A1; BRPI0611746A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verstärkungsprofil 1, 6, 22, 23, 36, insbesondere ein gekrümmtes Ringspantsegment für Rumpfzellen von Luftfahrzeugen, mit einem durch mindestens ein Fasergelege 9, 25, 37 verstärktes Kunststoffmaterial. DOLLAR A Das Fasergelege 9, 25, 37 weist mindestens eine vollflächige Lage 10, 29, 39 mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine vollflächige Lage 11, 31, 40 mit einer zweiten Faserrichtung auf, wobei in mindestens einem Randbereich 16, 26, 38 des Fasergeleges 9, 25, 37 mindestens eine weitere Lage 12, 34, 41 mit einer dritten Faserrichtung angeordnet ist. DOLLAR A Hierdurch ergibt sich eine insgesamt belastungsgerechte Ausrichtung der Fasern 13-15, 30, 32, 35 in den einzelnen Lagen 10-12, 29, 31, 34, 39-41 des zur Verstärkung des erfindungsgemäßen Verstärkungsprofils 1, 6, 22, 23, 36 eingesetzten Fasergeleges 9, 26, 37, so dass das erfindungsgemäße Verstärkungsprofil 1, 6, 22, 23, 36 bei minimalem Gewicht hohen mechanischen Belastungen standhält. DOLLAR A Infolge der nur in einem Randbereich 9, 26, 37 des Fasergeleges 9, 25, 37 angeordneten Lage 12, 34, 41 mit einer dritten Faserrichtung, insbesondere mit einer 0 DEG Faserrichtung, lässt sich nach dem Abkanten des Randbereichs 16, 26, 37 der verbleibende Bereich des Fasergeleges 9, 25, 37 drapieren, das heißt ohne Faltenwurf in der Ebene gekrümmt verlegen, sodass das Verstärkungsprofil 1, 6, 22, 23, 36 auch gebogen ausgebildet sein kann. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verstärkungsprofil, insbesondere ein gekrümmtes Ringspantsegment für Rumpfzellen von Luftfahrzeugen, mit einem durch mindestens ein Fasergelege verstärktes Kunststoffmaterial.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungsprofils, insbesondere eines gekrümmten Ringspantsegments, für eine Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs mit einem durch mindestens ein Fasergelege verstärktes Kunststoffmaterial.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fasergelege zur Herstellung eines Verstärkungsprofils, insbesondere eines Ringspantsegments, wobei das Fasergelege mindestens eine Lage mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine Lage mit einer zweiten Faserrichtung sowie eine weitere Lage mit einer dritten Faserrichtung aufweist.

In Flugzeugen werden im Allgemeinen Ringspante zur Verstärkung der Rumpfzellen eingesetzt. Diese Ringspante werden überwiegend mit Aluminiumprofilen hergestellt. Die Herstellung von längeren Ringspantsegmenten oder umlaufenden Ringspanten mit Aluminiumprofilen bereitet im Allgemeinen keine großen Probleme, da die Aluminiumprofile durch Biegen relativ leicht der Rumpfkrümmung der Rumpfzelle angepasst werden können.

Ein derartiger Ringspant zur Verstärkung einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs mit einer beispielsweise Z-förmigen Querschnittsgeometrie wird während des Flugbetriebs im Bereich des senkrechten Profilsteges hauptsächlich mit Schub- und/oder Querkräften beansprucht. Die abgewinkelten Profilabschnitte werden hingegen im wesentlichen mit Zug- und/oder Druckkräften beaufschlagt. Die Differenzierung zwischen Schub- und/oder Querkräften sowie Zug- und/oder Druckkräften in unterschiedlichen Abschnitten des Ringspants ist bei Alummiumringspanten im Wesentlichen irrelevant, da ein metallischer Werkstoff in der Regel über isotrope Materialeigenschaften verfügt.

Zur weiteren Gewichtsersparnis werden im Flugzeugbau jedoch zunehmend Einzelkomponenten mit faserverstärkten Verbundmaterialien, insbesondere kohlefaserverstärkten Epoxydharzen, eingesetzt. Faserverstärkte Verbundmaterialien weisen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften in der Regel sehr stark anisotrope Eigenschaften auf, so dass die mechanische Hauptbelastungsrichtung vorzugsweise in einer Hauptfaserrichtung liegen sollte. Zur Erreichung optimaler mechanischer Eigenschaften ist es daher erforderlich, insbesondere die Orientierung der Faserverstärkung den Richtungen der jeweils angreifenden Kräfte anzupassen.

Besondere Schwierigkeiten bereitet in diesem Zusammenhang die Einbringung eines Gewebes, von Faserbündeln oder einer Kombination hiervon zur Schaffung der Faserverstärkung im Fall von beispielsweise kreissegmentförmigen, runden oder ovalen Bauteilen. Denn zur Erreichung optimaler Festigkeiten ist es in diesen Fällen oftmals unumgänglich, zumindest eine Hauptfaserrichtung parallel zur Umfangskontur des Bauteils verlaufen zu lassen.

Ist die Faserverstärkung dann gebildet, so wird das eigentliche Bauteil, beispielsweise ein Verstärkungsprofil zur Bildung eines Ringspants oder eines Ringspantabschnitts, mittels bekannter Verfahren, beispielsweise durch das so genannte "Resin-Transfer-Moulding" -Verfahren (RTM) hergestellt. Alternativ ist auch eine Herstellung im kontinuierlich arbeitenden Spritzgussverfahren möglich.

Soll die Verstärkung eines derartigen Bauteils beispielsweise mit einem Gewebe oder dergleichen realisiert werden, so können abschnittsweise kurze Gewebestreifen entlang der Umfangskontur aneinander gereiht werden. Hierdurch ergibt sich allerdings der Nachteil einer relativ großen Anzahl von Nähten durch die erforderliche Stückelung. Bei einer überlappenden Anordnung von Gewebestreifen kann die Anzahl der Nähte verringert werden, es kommt aber zu Aufdickungen im Bereich der Überlappungen.

Weiterhin ist es möglich, eine derartige Faserverstärkung durch mehrmaliges Umwickeln des gesamten Bauteils mit einer langen Faser oder einem langen Faserbündel zu schaffen. Diese Vorgehensweise bedingt einen hohen Aufwand, vermeidet jedoch unnötige Nahtstellen in der Faserverstärkung.

Schließlich besteht die Möglichkeit, von einem Abschnitt einer Gewebebahn im Wesentlichen diagonale Streifen abzuschneiden. Derartige, diagonal aus einer Gewebebahn herausgeschnittene Streifen können drapiert werden, das heißt in der Ebene ohne das Aufwerfen von Falten gekrümmt verlegt werden. Damit sind derartige Gewebestreifen grundsätzlich für eine Umfangsverstärkung von kreissegmentförmigen, runden oder ovalen Bauteilen mit kleineren Abmessungen geeignet, da im Idealfall nur eine Nahtstelle entsteht. Derartige Streifen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie aufgrund der begrenzten Breite von Gewebebahnen auch nur mit einer begrenzten Länge herstellbar sind, so dass sich größere Bauteile, wie beispielsweise Ringspante oder dergleichen, gar nicht auf diese Weise herstellen lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildetes Bauteil mit großen geometrischen Abmessungen, insbesondere ein Verstärkungsprofil für einen gekrümmten Ringspant, ein gekrümmtes Ringspantsegment oder dergleichen insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz, mit nahezu optimalen mechanischen Eigenschaften zu schaffen. Alternativ können auch Glasfaser, Aramidfasern oder dergleichen zur Armierung eingesetzt werden. Darüber hinaus können auch andere aushärtbare Kunststoffmaterialien, das heißt Harzsysteme Verwendung finden. In diesem Zusammenhang sind Polyesterharze, BMI-Harze oder dergleichen zu nennen.

Hierbei steht der Ausdruck "optimale mechanische Eigenschaften" insbesondere für eine maximale mechanische Belastbarkeit des Bauteils bei einem minimalen Gewicht. Um diese optimalen mechanischen Eigenschaften zu erreichen, muss die Orientierung der Faserverstärkung in unterschiedlichen Bereichen des Bauteils den verschiedenen Richtungen der jeweils einwirkenden Kräfte stets folgen und möglichst keine Nahtstellen aufweisen.

Die Aufgabe wird zunächst durch ein Verstärkungsprofil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Fasergelege oder die Fasergelege mindestens eine vollflächige Lage mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine vollflächige Lage mit einer zweiten Faserrichtung aufweisen, wobei in mindestens einem Randbereich des Fasergeleges oder der Fasergelege mindestens eine weitere Lage mit einer dritten Faserrichtung angeordnet ist,
kann durch Abkanten, Umklappen bzw. Abwinkeln des Randbereichs ein Verstärkungsprofil gebildet werden, das in einem Basisabschnitt optimal zur Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften und in einem Außenabschnitt gleichermaßen ideal zur Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften ausgebildet ist, wobei das Verstärkungsprofil gekrümmt sein kann.

Aufgrund der Verwendung eines Fasergeleges, das in einem Randbereich eine Lage mit einer dritten Faserrichtung aufweist, ist das erfindungsgemäße Verstärkungsprofil zudem in nahezu beliebigen Längen – die allein durch eine maximal herstellbare Bahnlänge des eingesetzten Fasergeleges begrenzt wird – herstellbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verstärkungsprofils sieht vor, dass das Fasergelege mit einer Vielzahl von Fasern, insbesondere mit einem multiaxialen Fasergelege mit Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen, gebildet ist.

Die Verwendung eines multiaxialen Fasergeleges ermöglicht es, insbesondere in einem Randbereich des Fasergeleges eine oder mehrere zusätzliche Lagen mit einer dritten Faserrichtung, beispielsweise mit einer 0°- Faserrichtung zur optimalen Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften, anzuordnen, während die übrigen vollflächigen Lagen beispielsweise eine ±45° Faserrichtung zur idealen Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften aufweisen. Andere Faserrichtungen zwischen +20° und +70° sowie zwischen –70° und –20° sind gleichfalls möglich. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines "endlos" langen multiaxialen Flächengeleges aus Kohlefasern die Bildung von räumlich ausgedehnten Verstärkungsprofilen, die insbesondere als Ringspante oder Ringspantsegmente dienen können. Die unterschiedlichen Fasertypen können in Abhängigkeit von den Anforderungen an das herzustellende Verstärkungsprofil gebildet werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 13 gelöst.

Das Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungsprofils, insbesondere eines gekrümmten Ringspantsegments für eine Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs, mit mindestens einem durch mindestens ein Fasergelege verstärkten Kunststoffmaterial, wobei das Fasergelege mindestens eine vollflächige Lage mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine vollflächige Lage mit einer zweiten Faserrichtung sowie in mindestens einem Randbereich mindestens eine weitere Lage mit einer dritten Faserrichtung aufweist, umfasst die folgenden Schritte:

– Auflegen des Randbereichs mindestens eines Fasergeleges auf eine gekrümmte Auflage,
– Abkanten eines Basisabschnitts des Fasergeleges zur Bildung eines Außenabschnitts eines L-Formlings mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie,
– Durchtränken des L-Formlings mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial und Aushärten des L-Formlings.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich beispielsweise mittels des "Resin-Transfer-Moulding" – Verfahrens (RTM) ein nahezu beliebig gekrümmtes Verstärkungsprofil, beispielsweise mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial und mit einer zum Beispiel L-förmigen Querschnittsgeometrie herstellen, wobei das Verstärkungsprofil in einem Basisabschnitt insbesondere zur Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften geeignet ist und das Verstärkungsprofil in einem Außenabschnitt insbesondere zur Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften optimiert ist. Der Begriff "Drapieren" bedeutet, dass der Basisabschnitt des Fasergeleges, in dem im Wesentlichen nur Lagen mit einer Faserrichtung von ±45° angeordnet sind, in der Ebene ohne Faltenbildung auf einer Unterlage gekrümmt bzw. gebogen abge legt werden kann, so dass sich gebogene Ringspantsegmente auch mit kleineren Krümmungsradien auf einfache Art und Weise herstellen lassen.

Hierbei lässt sich das Verstärkungsprofil infolge der Verwendung eines nahezu endlos langen, bandförmigen Fasergeleges in fast beliebigen Längen, insbesondere zur Herstellung von großen Rundspanten mit nur einer Verbindungsstelle, herstellen. Das auf diese Art und Weise gebildete Verstärkungsprofil ist insbesondere für Ringspantsegmente mit unterschiedlichen Krümmungsradien, die aus Gründen der Gewichtsersparnis zum Beispiel mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz gebildet werden, vorgesehen. Darüber hinaus weist das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verstärkungsprofil aufgrund der in unterschiedlichen Bereichen verschiedenen Richtungen der Faserverstärkung nahezu "optimale mechanische Eigenschaften" auf.

Schließlich wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Flächengebilde mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst.

Dadurch, dass die Lagen mit der ersten und der zweiten Faserrichtung vollflächig ausgebildet sind und die Lage oder die Lagen mit der dritten Faserrichtung in einem Randbereich des Fasergeleges angeordnet sind,
kann mittels des erfindungsgemäßen Flächengebildes durch einfaches Umklappen bzw. Abkanten des Randbereichs zur Bildung eines Außenabschnitts und anschließendes Drapieren des verbleibenden Basisabschnitts, ein Verstärkungsprofil gebildet werden, das auch bei großen geometrischen Abmessungen eine nahezu beliebige Krümmung aufweisen kann. Zudem ist das mit dem erfindungsgemäßen Fasergelege gebildete Verstärkungsprofil im Basisabschnitt insbesondere zur Belastung mit Schub- und/oder Querkräften ausgelegt, während das Verstärkungsprofil im Außenabschnitt insbesondere zur Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften geeignet ist, wie sie insbesondere bei der Verwendung des Verstärkungsprofils als Ringspante oder als Ringspantabschnitte in Rumpfzellen von Luftfahrzeugen während des Flugbetriebes auftreten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verstärkungsprofils sind in weiteren Patentansprüchen dargelegt.

In der Zeichnung zeigt:
1 Eine Querschnittsdarstellung eines Verstärkungsprofils mit einer Z-förmigen Querschnittsgeometrie,
2 Eine Draufsicht auf einen mit vier Verstärkungsprofilsegmenten mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie gebildeten Ringspant,
3 eine Draufsicht auf ein Fasergelege zur Bildung von Verstärkungsprofilen,
4 eine Querschnittsdarstellung durch ein Verstärkungsprofil mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie,
5 eine Draufsicht auf einen gekrümmten Abschnitt eines Verstärkungsprofils mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie,
6 Querschnittsdarstellung eines zu einem L-Formling geformten Fasergeleges,
7 Querschnittsdarstellung eines zu einem Z-Formling geformten Fasergeleges,
8 Querschnittsdarstellung eines zu einem C-Formling umgeformten Fasergeleges,
9–17 Querschnittsdarstellungen verschiedener Ausführungsvarianten von L-Formlingen, Z-Formlingen sowie C-Formlingen und
18–20 Ausbildung von Verstärkungsprofilen mit komplexeren Querschnittsgeometrien durch die Kombination von L-Formlingen, Z-Formlingen sowie C-Formlingen.
Im Weiteren sollen das erfindungsgemäße Verstärkungsprofil, das zu seiner Herstellung benutzte Fasergelege sowie das Verfahren zur Herstellung des Verstärkungsprofils gleichermaßen beschrieben werden.
Die 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Verstärkungsprofils mit einer Z-förmigen Querschnittsgeometrie, das beispielsweise als Ringspant zur Verstärkung von Rumpfzellen von Luftfahrzeugen eingesetzt wird.
Ein Verstärkungsprofil 1 weist im Ausführungsbeispiel der 1 im Wesentlichen eine Z-förmige Querschnittsgeometrie auf. Das Verstärkungsprofil 1 dient insbesondere zur Verstärkung einer nicht dargestellten Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs und ist zu diesem Zweck mit der Beplankung 2 verbunden. In einem Basisabschnitt 3 treten während des Flugbetriebs vor allem Schub- und/oder Querkräfte auf. Im Außenabschnitt 4 wird das Verstärkungsprofil 1 im Wesentlichen mit Zugspannungen beansprucht, während in einem Außenabschnitt 5 vor allem Druckspannungen auftreten. Schließlich wird das Verstärkungsprofil 1 auch noch mit Biegemomenten belastet. Das Verstärkungsprofil 1 wird mittels Durchtränkung eines in der 1 nicht dargestellten Z-Formlings mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial geschaffen, der durch eine entsprechende Umformung eines zunächst ebenen Fasergeleges entsteht. Das aushärtbare Kunststoffmaterial bildet hierbei eine Matrix, in die die einzelnen Fasern des den Z-Formling bildenden Fasergeleges allseitig eingebettet sind.
Die 2 zeigt einen aus insgesamt vier gekrümmten Verstärkungsprofilen 6 zusammengesetzten Ringspant 7, der zum Beispiel zur Verstärkung einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs einsetzbar ist. Im Unterschied zum Verstärkungsprofil 1 in der 1 mit einer Z-förmigen Querschnittsgeometrie weist das Verstärkungsprofil 6 in der 2 eine L-förmige Querschnittsgeometrie auf. Die gezeigte Segmentierung des Ringspants 7 ist nicht zwingend erforderlich, da die erfindungsgemäßen Verstärkungsprofile 6 in nahezu beliebigen Größenabmessungen gekrümmt, d.h. in einem weiten Bereich von Krümmungsradien herstellbar sind. Die Verstärkungsprofile 6 sind in Verbindungsstellen 8 über nicht dargestellte Verbindungsmittel jeweils miteinander verbunden.
Die 3 zeigt eine der besseren zeichnerischen Übersichtlichkeit halber leicht perspektivisch versetzte Draufsicht auf ein zur Schaffung von erfindungsgemäßen Verstärkungsprofilen verwendetes Fasergeleges mit mehreren Lagen. Das Fasergelege ist hierbei mit einer Vielzahl von multiaxial angeordneten Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen in mehreren, übereinander angeordneten Lagen aufgebaut.
Das Fasergelege 9 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt drei Lagen 10, 11 sowie 12. In der Lage 10 sind eine Vielzahl von Fasern, von denen eine stellvertretend für die Übrigen mit der Bezugsziffer 13 versehen worden ist, in einer +45° Faserrichtung angeordnet. In der darüber angeordneten Lage 11 sind eine Vielzahl von Fasern, von denen eine stellvertretend für alle übrigen mit der Bezugsziffer 14 versehen ist, in einer Faserrichtung von –45° angeordnet, so dass sich beispielsweise die Fasern 13, 14 in den Lagen 10, 11 jeweils unter einem Winkel von etwa 90° überlagern. In der dritten Lage 12 sind schließlich eine Vielzahl von Fasern, von denen eine repräsentativ für die Übrigen mit der Bezugsziffer 15 versehen wurde, mit einer Faserrichtung von 0° angeordnet.
In der realen Ausführungsform sind die Lagen des Fasergeleges 9 deckungsgleich übereinander positioniert. Die angegebenen Winkel von ±45 sowie 0° sind jeweils zwischen den Fasern in den einzelnen Lagen und der Waagerechten am Beispiel der Fasern 13, 14, 15 ermittelt worden. Während des industriellen Herstellungsprozesses wird zunächst ein Flächengelege hergestellt, von dem durch Schnitte in Längsrichtung mehrere Fasergelege 9 abgetrennt werden können. Diese Fasergelege 9 werden dann durch Schnitte in Querrichtung auf eine ausreichende Länge konfektioniert, so dass beispielsweise Rundspante ausreichenden Durchmessers oder dergleichen gebildet werden können. Die Produktionsrichtung des Fasergeleges 9 ist hierbei durch den großen Pfeil angedeutet.
Die Lagen 10, 11 mit der Faserrichtung von ±45° dienen im Wesentlichen zur Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften. Demgegenüber nimmt die dritte Lage 12 mit der Faserrichtung von 0° im Wesentlichen Zug- und/oder Druckkräfte sowie konstruktionsbedingt Biegemomente auf.
Das in der 3 gezeigte Fasergelege 9 wird kurz als so genanntes "–/+" -Fasergelege bezeichnet, weil die obere Lage 11 Fasern mit der Faserrichtung von –45° aufweist. Wird die Abfolge der Lagen 10 und 11 dagegen derart vertauscht, dass die Lage 10 mit der Faserrichtung von +45° oben aufliegt, so ist definitionsgemäß ein "+/–" -Fasergelege bzw. ein ±45° Fasergelege gegeben. Dieser Differenzierung kommt insbesondere bei der Symmetrie der aus den Fasergelegen gebildeten, erfindungsgemäßen Verstärkungsprofile erhebliche Bedeutung zu. Beim Design von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, beispielsweise bei der Herstellung von Verstärkungsprofilen mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien, ist im Allgemeinen anzustreben, dass die Faserrichtung auf der Oberseite des Bauteils – wenn irgend möglich – der Faserrichtung auf der Unterseite des Bauteils entspricht. Werden beispielsweise zwei "–/+" Fasergelege 9 übereinander angeordnet, so kann dieses Designkriterium nicht eingehalten werden, wie sich anhand der Lagenfolge "–/+|–/+" leicht erkennen lässt. Dasselbe gilt für die Kombination "+/–|+/–". Wird dagegen das "–/+" Fasergelege 9 über einem "+/–" Fasergelege platziert, so ist die Randbedingung eingehalten, weil die Faserrichtungen auf der Oberseite und der Unterseite mit "–/+|+/–" übereinstimmen.
Die Fasern sind in den Lagen 10, 11, 12 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die einzelnen Lagen 10, 11, 12 des Fasergeleges 9 sind durch nicht dargestellte Heftfäden miteinander verbunden. Beim Einsatz eines geeigneten Bindemittels kann vollständig oder zumindest teilweise auf die Heftfäden verzichtet werden. Das bandförmige, multiaxiale Fasergelege 9 erstreckt sich in der Darstellung der 3 in waagerechter Richtung in einer nahezu beliebigen Länge, die allein durch die Fertigungstechnik, insbesondere die Aufrollbarkeit und/oder das Transportgewicht begrenzt ist.
Die Lagen 10, 11 sind jeweils vollflächig ausgebildet, während sich die dritte Lage 12 lediglich über einen Randbereich 16 erstreckt. Eine Randbereichsbreite 17 ist hierbei deutlich kleiner als eine Gesamtbreite 18 des Fasergeleges 9. In einem Basisbereich 19 des Fasergeleges 9 sind die Lagen 10, 11 mit Fasern in der ±45° Faserrichtung angeordnet. Nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Basisbereich 19 beispielsweise zur Bildung eines L-Formlings mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie einmal abgekantet und drapiert, wobei der Begriff "Drapie ren" das gekrümmte Ablegen des Basisbereichs 19 in einer Ebene ohne Faltenwurf bedeutet. Die Breite des Basisbereichs 19 des Fasergeleges 9 ergibt sich aus der Differenz zwischen der Gesamtbreite 18 und der Randbereichsbreite 17. Das Verhältnis zwischen der Randbereichsbreite 17 und der Gesamtbreite 18 des Fasergeleges 9 liegt hierbei zwischen 0,05 und 0,5. Weiterhin ist das Fasergelege 9 üblicherweise mit einer größeren Anzahl von planparallel übereinander liegenden Lagen 10, 11, 12 als in der 3 gezeigt gebildet.
In Abweichung von der Darstellung in der 3 ist es alternativ möglich, die Lage 12 mit der 0° Faserrichtung zwischen der Lage 10 und der Lage 11 zu positionieren. Abweichend von den angegebenen Faserrichtungen 0°, +45° sowie –45° können andere Faserrichtungen für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein. Für alternative Anwendungen sind Faserrichtungen in einem Bereich zwischen 20° und 70° bzw. zwischen –70° und –20° möglich und in bestimmten Anwendungsfällen auch von Vorteil. Das Fasergelege 9 kann abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel eine beliebige Abfolge und Anzahl von Lagen mit Fasern in der 0°, der +45° sowie der –45° Faserrichtung oder hiervon abweichenden Faserrichtungen aufweisen.
Die Gesamtbreite 18 des Fasergeleges 9 kann auch nur ein Teil einer größeren Herstellungsbreite sein, so dass beispielsweise zwei, in Entsprechung zur Konfiguration des Fasergeleges 9 ausgebildete Fasergelege jeweils einen Teilbereich eines größeren, breiteren Fasergeleges bilden. In diesem Fall weist das Fasergelege zwei Randbereiche mit Fasern in der 0° Faserrichtung auf. Ein Fasergelege kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Herstellungsbreite und/oder der Randbereichsbreite, eine beliebige Anzahl von Randbereichen aufweisen.
Aus dem Fasergelege 9 lässt sich nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einfaches Hoch-, Umklappen bzw. Abkanten des Randbereichs 16 bzw. des Basisbereichs 19 zunächst ein einfacher L-Formling zur Bildung von Verstärkungsprofilen mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie bilden (vgl. 4), wobei der L-Formling mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Epoxydharz, einem Polyesterharz, einem BMI-Harz oder dergleichen, zur Bildung des Verstärkungsprofils durchtränkt wird.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Verstärkungsprofil mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie, das mit einem zu einem L-Formling umgeformten Fasergelege gebildet ist.
Das aus dem Fasergelege 9 mittels Durchtränkung mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial gebildete Verstärkungsprofil 22 weist einen Außenabschnitt 20 sowie einen Basisabschnitt 21 auf. Der Außenabschnitt 20 ist hierbei durch Um- bzw. Hochklappen des Randbereichs 16 des ebenen Fasergeleges 9 aus diesem hervorgegangen. Entsprechend umfasst der Basisabschnitt 21 den verbleibenden Bereich des Fasergeleges 9. Die durch den L-Formling vorgegebene, im Wesentlichen L-förmige Querschnittsgeometrie des Verstärkungsprofils 22 stellt hierbei nur eine von vielen alternativen Querschnittsgeometrien dar. Stellvertretend für die in Wirklichkeit erheblich größere Anzahl von Lagen im Fasergelege 9 sind zur Verdeutlichung die mit der Darstellung der 3 korrespondierenden Bezugsziffern für die Lagen 10, 11, 12 in die 4 mit aufgenommen worden.
Damit sind erfindungsgemäß im Basisabschnitt 21 des Verstärkungsprofils 22 ausschließlich Lagen mit einer Faserrichtung von ±45° angeordnet, die eine optimale Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften ermöglichen, die in diesen Bereichen des Verstärkungsprofils 6 im Belastungsfall hauptsächlich auftreten. Zusätzlich zu den Lagen 12 mit der Faserrichtung von ±45° befinden sich im Randabschnitt 20 des Verstärkungsprofils 22 Lagen mit der Faserrichtung von 0°, die eine nahezu ideale Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften sowie Biegemomenten erlauben, die gerade in diesen Bereichen des Verstärkungsprofils schwerpunktmäßig auftreten. Diese räumlich differenzierte Anordnung der Lagen mit jeweils unterschiedlichen Faserrichtungen erlaubt eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit des mit dem Fasergelege 9 verstärkten Profils 22 bei einem gleichzeitig minimalen Gewicht. Zusätzlich können im Randabschnitt auch diskrete Faserbündel ("Rowings") aus Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen angeordnet werden, insbesondere um die Druck- und Zugbelastbarkeit in diesem Bereich zu erhöhen.
Darüber hinaus erlauben die im Basisbereich 21 befindlichen Lagen mit einer bevorzugten ±45° Faserrichtung das Drapieren des Fasergeleges 9, wodurch die Herstellung gekrümmter Verstärkungsprofile 22 mit nahezu beliebigen Krümmungsra dien und zudem großen Längenabmessungen möglich wird. Der Begriff "Drapieren" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Abschnitte des Fasergeleges 9, in denen ausschließlich Lagen mit einer Faserrichtung von ±45° angeordnet sind, in der Ebene gekrümmt verlegt werden können, ohne das eine Faltenbildung eintritt. Durch das Drapieren können die Fasern, die anfänglich im Wesentlichen gleichmäßig parallel zueinander beabstandet in den jeweiligen Lagen des multiaxialen Fasergeleges angeordnet sind, geringfügig ihre jeweilige Ausrichtung und/oder ihren Abstand zueinander verändern.
Das Durchtränken bzw. Imprägnieren des aus dem Fasergelege 9 gebildeten L-Formlings mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Epoxydharz, einem Polyesterharz oder dergleichen, zur Herstellung des Verstärkungsprofils 22 erfolgt zum Beispiel in einer geschlossenen Form nach Maßgabe eines mit dem Begriff "Resin-Transfer-Moulding" (RTM) bezeichneten Verfahrens. Alternativ lässt sich das Verstärkungsprofil 22 auch durch Imprägnierung des Fasergeleges 9 mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial in einem Vakuumsack bilden, der in einen Ofen oder Autoklaven eingebracht wird. Eine Aushärtung bei Umgebungstemperatur oder in einem beheizbaren Werkzeug ist gleichfalls möglich.
Von besonderem Vorteil ist, dass sich mittels des in nahezu beliebigen Längen zur Verfügung stehenden Fasergeleges 9 entsprechend lange, beliebig gekrümmte Verstärkungsprofile 22, beispielsweise für Rundspante mit nur einer Verbindungsstelle, herstellen lassen.
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf ein gekrümmtes Verstärkungsprofil mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie.
Das Verstärkungsprofil 23 ist mit einem L-Formling 24 mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie gebildet. Der L-Formling 24 ist, wie vorstehend bereits beschrieben wurde, aus einem Fasergelege 25 durch Um- bzw. Hochklappen des Randbereichs 26 entlang der Grenzlinie 27 unter einem Winkel von 90° in Bezug auf die Zeichenebene und anschließendes Drapieren des verbleibenden Bereichs, in dem ausschließlich Fasern in der ±45° Faserrichtung angeordnet sind, zur Erzeugung der Krümmung gebildet worden. Anschließend wurde der L-Formling mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial in bekannter Weise durchtränkt.
Das Verstärkungsprofil 23 weist einen Basisabschnitt 28 mit einer Lage 29 mit einer Vielzahl von Fasern in einer +45° Faserrichtung auf. Stellvertretend für die übrigen Fasern in der Lage 29 ist eine Faser mit der Bezugsziffer 30 versehen worden. Oberhalb der Lage 29 befindet sich eine Lage 31 mit einer Vielzahl von Fasern in der –45° Faserrichtung. Repräsentativ für die restlichen Fasern in der Lage 31 ist eine Faser mit der Bezugsziffer 32 versehen worden. In einem Außenabschnitt 33 sind die Lagen 29, 31 mit den Fasern in der ±45° Faserrichtung mittels einer Kreuzschraffur stark vereinfacht dargestellt. Die wahre Orientierung der Faser mit der ±45° Faserrichtung weicht von der zeichnerischen Darstellung ab. Oberhalb der Lagen 29, 31 ist im Bereich des Außenabschnitts 33 eine Lage 34 mit einer Vielzahl Fasern in der 0° Faserrichtung angeordnet, die der Umfangskontur des gekrümmten Verstärkungsprofils 23 in etwa folgen. Stellvertretend für die übrigen Fasern ist eine Faser in der Lage 34 mit der Bezugsziffer 35 versehen worden. Die Lage 34 mit Fasern in der 0° Faserrichtung kann in Entsprechung zu den Ausführungen im Rahmen der Beschreibung der 3 auch zwischen den Lagen 29, 31 oder darunter angeordnet sein.
Im Bereich des Basisabschnitts 28 wird das beispielsweise als Ringspant zur Verstärkung von Rumpfzellen von Luftfahrzeugen eingesetzte Verstärkungsprofil 23 während des Flugbetriebs insbesondere mit Schub- und/oder Querkräften sowie Momenten belastet, während im Außenabschnitt 33 insbesondere Zug- und/oder Druckkräfte auf das Verstärkungsprofil 23 einwirken. Das Verstärkungsprofil 23 weist daher sowohl im Basisabschnitt 28 als auch im Außenabschnitt 33 eine nahezu ideale Ausrichtung der Faserverstärkung zur Aufnahme der vorstehend genannten Kräfte und Momente auf, die zudem den in diesen Bereichen angreifenden Kräften auch über die Umfangskontur des Verstärkungsprofils 23 hinweg fließen folgt. Somit kann das Verstärkungsprofil 23 bei minimalen Gewicht ein höchstmögliches Maß an Kräften aufnehmen.
Zur Herstellung des gekrümmten Verstärkungsprofils 23 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das Fasergelege 25 im Bereich des Randbereichs 26 auf eine Unterlage aufgelegt, die denselben Krümmungsradius wie das herzustellende gebogene Verstärkungsprofil 23 aufweist. Im Anschluss daran wird der Basisabschnitt 28 in Bezug zum Außenabschnitt 33 um 90° umgeklappt bzw. abgekantet und anschließend drapiert. In diesem Zustand liegt der Basisabschnitt 28 parallel zur Zeichenebene und der Außenabschnitt 33 schließt mit der Zeichenebene einen Winkel von ungefähr 90° ein. Anschließend kann das so umgeformte Fasergelege 25 mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial durchtränkt werden und somit das Verstärkungsprofil 23 gebildet werden. Die Kontur des mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial durchtränkten Fasergeleges 25, das das Verstärkungsprofil 23 bildet, ist in der 5 durch die punktierte Linie angedeutet.
Im Weiteren soll schwerpunktmäßig das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von insbesondere eine Krümmung aufweisenden Verstärkungsprofilen mit mindestens einem Fasergelege und einer L-förmigen Querschnittsgeometrie anhand der 6 näher beschrieben werden.
Vorab werden aus einem industriell vorgefertigten endlosen Fasergelege mit einer Breite von bis zu 6 m durch Längsschnitte mehrere schmale, endlose Fasergelege, die jeweils in Aufbau und Struktur der Darstellung der 3 entsprechen, herausgeschnitten. Anschließend wird mindestens ein zur Herstellung des gewünschten Verstärkungsprofils ausreichend langer Abschnitt von einem der schmalen, endlosen Fasergelege durch einen Querschnitt abgetrennt, so dass ein Fasergelege nach Maßgabe von 3 vorliegt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verstärkungsprofile können dabei eine Vielzahl derartiger Fasergelege verwendet werden.
Zur Herstellung des Verstärkungsprofils 36 wird zunächst ein derartiges Fasergelege 37 im Bereich des Randbereichs 38, der eine Lage 39 mit Fasern in der +45° Faserrichtung, eine Lage 40 mit Fasern in der –45° Richtung sowie mindestens eine Lage 41 mit der 0° Faserrichtung enthält, auf einer entsprechend den konstruktiven Vorgaben gekrümmten Unterlage abgelegt, um den gewünschten Biegeradius vorzugeben. Anschließend wird der Bereich 42 des Fasergeleges 37, der ausschließlich die Lagen 39, 40 mit den Fasern in der ±45° Faserrichtung enthält, umgeklappt bzw. abgekantet und anschließend zur Herstellung der Krümmung in diesem Be reich drapiert. Hierdurch entsteht ein gekrümmter L-Formling 43 mit einer zunächst einfachen, L-förmigen Querschnittsgeometrie.
Mittels der Durchtränkung mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial, entsteht dann aus dem L-Formling 43 das Verstärkungsprofil 36 mit der L-förmigen Querschnittsgeometrie, das einen Basisabschnitt 44 und einen hierzu in etwa rechtwinklig angeordneten Außenabschnitt 45 aufweist. Im Basisabschnitt 44 ist aufgrund der erfindungsgemäßen Faserverteilung mindestens eine Lage 39 mit einer Faserrichtung von +45° sowie eine Lage 40 mit einer Faserrichtung von –45° angeordnet. Im Außenabschnitt 45 befindet sich zusätzlich zu den Lagen 39, 40 die Lage 41 mit Fasern in der Faserrichtung von 0°.
Der L-Formling 43 kann vor der Durchtränkung mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial weiterhin im Bereich der Linie 46 in Richtung des Pfeils 47 zur Bildung eines Z-Formlings oder in Richtung des Pfeils 48 um 90° zur Bildung eines C-Formlings geknickt werden. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise Z-Formlinge sowie C-Formlinge zur Herstellung von Verstärkungsprofilen mit einer entsprechenden Querschnittsgeometrie bilden. Durch die Kombination von L-Formlingen, Z-Formlingen sowie C-Formlingen vor dem Durchtränken mit Harz lassen sich darüber hinaus Verstärkungsprofile mit komplexeren Querschnittsgeometrien bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher die Herstellung nahezu beliebig langer sowie gekrümmter Verstärkungsprofile mit einer großen Variationsbreite von Querschnittsgeometrien, deren Länge allein von der Länge des zur Verfügung stehenden, bahnförmigen Fasergeleges begrenzt ist. Hierdurch können beispielsweise große Rundspante zur Verstärkung von Rumpfzellen von Luftfahrzeugen mit sehr großen Durchmessern auf einfache Art und Weise gebildet werden, die nur eine Verbindungsstelle aufweisen. Alternativ können auch nahtlose Rundspante durch mehrfaches, überlappendes Aufwickeln des Fasergeleges auf eine geeignete Auflage und anschließende Harzimprägnierung hergestellt werden.
Die 7 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung, wie ein Z-Formling 49 aus dem L-Formling 36 durch Umklappen entlang der Linie 46 in Richtung des Pfeils 47 (vgl. 6) gebildet werden kann. Der Z-Formling 49 weist hierbei eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Lage mit Fasern in der +45° Faserrichtung, eine mit einer gestrichelten Linie dargestellte Lage mit Fasern in der –45° Faserrichtung sowie eine mit Kreisen dargestellte Lage mit Fasern in der 0° Faserrichtung auf.
Die 8 zeigt in einer ebenfalls stark schematisierten Darstellung, wie ein C-Formling 50 durch Umklappen entlang der Linie 46 in Richtung des Pfeils 48 (vgl. 6) gebildet werden kann. In Entsprechung zu der Darstellung der 7 weist der C-Formling 50 eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Lage mit Fasern in der +45° Faserrichtung auf, eine mit einer Strichlinie dargestellte Lage mit Fasern in der –45° Faserrichtung auf sowie eine mit Kreisen dargestellte Lage mit Fasern in der 0° Faserrichtung auf.
Die Abfolge der Lagen in den 6, 7, 8 kann nahezu beliebig gewählt werden. Mittels Durchtränken mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial können aus dem Z-Formling 49 sowie dem C-Formling 50 gegebenenfalls gekrümmt ausgebildete Verstärkungsprofile mit einer entsprechenden Querschnittsgeometrie gebildet werden.
Die 9 bis 17 zeigen L-Formlinge, Z-Formlinge sowie C-Formlinge in jeweils drei Ausführungsvarianten, bei denen die Schichtung der Lagen übereinander verändert wurde. Die zeichnerische Darstellung der Lagen mit den unterschiedlichen Faserrichtungen entspricht hierbei der Darstellung in den 6 bis 8. In den 9 bis 17 sind Lagen mit Fasern in der 0° Faserrichtung jeweils durch Kreise, Lagen mit Fasern in der +45° Faserrichtung jeweils mit durchgezogenen Linien und Lagen mit Fasern in der –45° Faserrichtung jeweils mit gestrichelten Linien dargestellt.
In der linken Spalte sind die Lagen mit den Fasern in der 0° Faserrichtung jeweils auf den Lagen mit den Fasern in der +45° Faserrichtung angeordnet. In der mittleren Spalte sind die Lagen mit den Fasern in der 0° Faserrichtung jeweils zwischen den Lagen mit der +45° Faserrichtung und den Lagen mit der –45° Faserrichtung angeordnet. Demgegenüber sind in der rechten Spalte die Lagen mit den Fasern in der 0° Faserrichtung unterhalb der Lagen mit den Fasern in der –45° Faserrichtung angeordnet. Hierbei gilt der allgemeine Designgrundsatz für faserverstärkte Verbundbauteile, wonach insbesondere aus Symmetriegründen im Bereich der Oberseite und der Unterseite eines fertigen Verbundbauteils möglichst Lagen mit Fasern mit der gleichen Faserrichtung angeordnet sein sollen. Wenn zum Bespiel ein Ausgangsmaterial (Fasergelege) die Lagenabfolge +/–/0 aufweist, so ist zur Erfüllung der Symmetriebedingung im Allgemeinen ein zweites Material (Fasergelege) mit der Lagenabfolge 0/–/+ erforderlich. Hierbei ist "+" das Kürzel für eine Lage mit Fasern in der +45° Faserrichtung, "" für eine Lage mit Fasern in der –45° Faserrichtung und "0" für eine Lage mit Fasern in der 0° Faserrichtung. Selbstverständlich können auch von ±45° und 0° abweichende Winkelwerte gewählt werden.
Aus den Formlingen nach Maßgabe der 9 bis 17 lassen sich mittels Durchtränkung mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial wiederum Verstärkungsprofile mit einer entsprechenden Querschnittsgeometrie beziehungsweise einer entsprechenden Lagefolge aufbauen.
Die 18 bis 20 zeigen, wie aus den L-Formlingen, den Z-Formlingen sowie den C-Formlingen durch eine geeignete Kombination miteinander Verstärkungsprofile mit einer nahezu beliebig komplexen Querschnittsgeometrie und in gegebenenfalls gekrümmter Ausführung hergestellt werden können. Hierbei werden die Formlinge vorzugsweise vor dem Durchtränken mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial miteinander kombiniert.
Der in 18 gezeigte L-Formling 51 ist beispielsweise durch eine Kombination des L-Formlings in 11 mit dem L-Formling nach Maßgabe der 9 gebildet worden. Im Gegensatz zum Aufbau des L-Formlings 51 in 18 weist der L-Formling 52 in 19 einen symmetrischen Aufbau auf, da die Faserrichtungen auf der Oberseite und der Unterseite gleich sind.
Entsprechend kann die komplexe Querschnittsgeometrie des Formlings 53 nach Maßgabe der 20 durch eine Kombination der Formlinge aus den 11, 9, 15, 11 sowie 12 gebildet werden. Auch der Formling 53 kann entsprechend dem L-Formling 52 nach 19, im Bedarfsfall symmetrisch aufgebaut werden, das heißt auf der Oberseite und der Unterseite gleiche Faserrichtungen aufweisen.

1: Verstärkungsprofil
2: Beplankung
3: Basisabschnitt
4: Außenabschnitt
5: Außenabschnitt
6: Verstärkungsprofil
7: Ringspant
8: Verbindungsstelle
9: Fasergelege
10: Lage (+45°-Faserrichtung)
11: Lage (–45°-Faserrichtung)
12: Lage (0°-Faserrichtung)
13: Faser
14: Faser
15: Faser
16: Randbereich
17: Randbereichsbreite
18: Gesamtbreite
19: Basisbereich
20: Außenabschnitt
21: Basisabschnitt
22: Verstärkungsprofil
23: Verstärkungsprofil
24: L-Formling
25: Fasergelege
26: Randbereich
27: Grenzlinie
28: Basisabschnitt
29: Lage (+45°-Faserrichtung)
30: Faser
31: Lage (–45°-Faserrichtung)
32: Faser
33: Außenabschnitt
34: Lage (0°-Faserrichtung)
35: Faser
36: Verstärkungsprofil
37: Fasergelege
38: Randbereich
39: Lage (+45°-Faserrichtung)
40: Lage (–45°-Faserrichtung)
41: Lage (0°-Faserrichtung)
42: Bereich
43: L-Formling
44: Basisabschnitt
45: Außenabschnitt
46: Linie
47: Pfeil
48: Pfeil
49: Z-Formling
50: C-Formling
51: L-Formling
52: L-Formling
53: Formling

Claims

Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36), insbesondere ein gekrümmtes Ringspantsegment für Rumpfzellen von Luftfahrzeugen, mit einem durch mindestens ein Fasergelege (9, 25, 37) verstärktes Kunststoffmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergelege (9, 25, 37) oder die Fasergelege (9, 25, 37) mindestens eine vollflächige Lage (10, 29, 39) mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine vollflächige Lage mit einer zweiten Faserrichtung (11, 31, 40) aufweisen, wobei in mindestens einem Randbereich (16) des Fasergeleges (9, 25, 37) oder der Fasergelege (9, 25, 37) mindestens eine weitere Lage (12, 34, 41) mit einer dritten Faserrichtung angeordnet ist.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem im Wesentlichen mit Schub- und/oder Querkräften beanspruchten Basisabschnitt (3, 21, 28, 44) des Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36) Lagen (10, 11, 29, 31, 39, 40) mit der ersten und der zweiten Faserrichtung angeordnet sind.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem im Wesentlichen mit Zug- und/oder Druckkräften beanspruchten Außenabschnitt (4, 5, 20, 33, 45) des Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36) Lagen (10–12, 29, 31, 34, 39–41) mit der ersten und der zweiten sowie der dritten Faserrichtung angeordnet sind.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (10–12, 29, 31, 34, 39–41) jeweils mit einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel und gleichmäßig zueinander beabstandet angeordneten Fasern (13–15, 30, 32, 35) gebildet sind.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserrichtung zwischen einschließlich +20° bis einschließlich +70° beträgt.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Faserrichtung zwischen einschließlich –70° bis einschließlich –20° beträgt.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Faserrichtung ungefähr 0° beträgt.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (3, 21, 28, 44) zur Herstellung gekrümmter Verstärkungsprofile (1, 6, 22, 23, 36) drapierfähig ist.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (3, 21, 28, 35) und der Außenabschnitt (4, 5, 20, 33, 45) des Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36) einen Winkel von etwa 90° zur Bildung einer L-förmigen Querschnittsgeometrie einschließen.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) insbesondere zur Bildung einer Z-förmigen oder C-förmigen Querschnittsgeometrie im Bereich des Basisabschnitts (3, 21, 28, 44) mindestens einmal abgewinkelt ist.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergelege (9, 25, 37) mit einer Vielzahl von Fasern (13–15, 30, 32, 35), insbesondere mit einem multiaxialen Fasergelege mit Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen, gebildet ist.
Verstärkungsprofil (1, 6, 22, 23, 36) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein aushärtbares Kunststoffmaterial, insbesondere ein Epoxydharz, ein Polyesterharz, ein BMI-Harz oder dergleichen, ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36), insbesondere eines gekrümmten Ringspantsegments für eine Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs, nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem durch mindestens ein Fasergelege (9, 25, 37) verstärktes Kunststoffmaterial, wobei das Fasergelege (9, 25, 37) mindestens eine vollflächige Lage (10, 29, 39) mit einer ersten Faserrichtung und mindes tens eine vollflächige Lage (11, 31, 40) mit einer zweiten Faserrichtung sowie in mindestens einem Randbereich (16, 26, 38) mindestens eine weitere Lage (12, 34, 41) mit einer dritten Faserrichtung aufweist, mit den folgenden Schritten: – Auflegen des Randbereichs (16, 26, 38) mindestens eines Fasergeleges (9, 25, 37) auf eine gekrümmte Auflage, – Abkanten eines Basisbereichs (19) des Fasergeleges (9, 25, 37) zur Bildung eines Formlings, insbesondere eines L-Formlings (43, 51, 52) mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie, – Durchtränken des Formlings mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial und Aushärten des Formlings.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisbereich (19) mindestens eines L-Formlings (43, 51, 52) vor dem Aushärten, insbesondere zur Bildung eines Z-Formlings (49) mit einer Z-förmigen Querschnittsgeometrie oder eines C-Formlings (50) mit einer C-förmigen Querschnittsgeometrie, mindestens einmal abgewinkelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Verstärkungsprofilen (1, 6, 22, 23, 36) mit einer komplexen Querschnittsgeometrie bevorzugt vor dem Durchtränken mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial L-Formlinge (43, 51, 52), Z-Formlinge (49) oder C-Formlinge (50) miteinander kombiniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem im Wesentlichen mit Schub- und/oder Querkräften beanspruchten Basisabschnitt (3, 21, 28, 44) des Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36) im Wesentlichen Lagen (10, 11, 29, 31, 39, 40) mit der ersten und der zweiten Faserrichtung angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem im Wesentlichen mit Zug- und/oder Druckkräften beanspruchten Außenabschnitt (4, 20, 33, 45) des Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36) im Wesentlichen Lagen mit der ersten und der zweiten sowie der dritten Faserrichtung (10– 12, 29, 31, 34, 39–41) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergelege (9, 25, 37) mit einer Vielzahl von Fasern (13–15, 30, 32, 35), insbesondere mit einem multiaxialen Fasergelege mit Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchtränken des Fasergeleges (9, 25, 37) oder der Fasergelege (9, 25, 37) insbesondere ein Epoxydharz, ein Polyesterharz, ein BMI-Harz oder dergleichen verwendet wird.
Fasergelege (9, 25, 37) zur Herstellung eines Verstärkungsprofils (1, 6, 22, 23, 36), insbesondere eines Ringspantsegments, nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Fasergelege (9, 25, 37) mindestens eine Lage (10, 29, 39) mit einer ersten Faserrichtung und mindestens eine Lage (11, 31, 40) mit einer zweiten Faserrichtung sowie eine weitere Lage (12, 34, 41) mit einer dritten Faserrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (10, 11, 29, 31, 39, 40) mit der ersten und der zweiten Faserrichtung vollflächig ausgebildet sind und die Lage (12, 34, 41) oder die Lagen (12, 34, 41) mit der dritten Faserrichtung in einem Randbereich (16, 26, 38) des Fasergeleges (9, 25, 37) angeordnet sind.
Fasergelege (9, 25, 37) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergelege (9, 25, 37) bahnförmig ausgebildet ist.
Fasergelege (9, 25, 37) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen (10–12, 29, 31, 34, 39–41) des Fasergeleges (9, 25, 37) jeweils eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel und gleichmäßig zueinander beabstandet angeordneten Fasern (13–15, 30, 32, 35) aufweisen.
Fasergelege (9, 25, 37) nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserrichtung, insbesondere zur Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften, zwischen einschließlich +20° bis einschließlich +70° beträgt.
Fasergelege (9, 25, 37) nach Anspruch 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Faserrichtung, insbesondere zur Aufnahme von Schub- und/oder Querkräften, zwischen einschließlich –70° bis einschließlich –20° beträgt.
Fasergelege (9, 25, 37) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Faserrichtung, insbesondere zur Aufnahme von Zug- und/oder Druckkräften, ungefähr 0° beträgt.
Fasergelege (9, 25, 37) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen einer Randbereichsbreite (17) und einer Gesamtbreite (18) des Fasergeleges (9, 26, 37) zwischen 0,05 und 0,5 beträgt.
Fasergelege (9, 25, 37) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergelege (9, 25, 37) mit einer Vielzahl von Fasern (13–15, 30, 32, 35), insbesondere mit einem multiaxialen Fasergelege mit Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dergleichen gebildet ist.